基于g-C_3N_4传统Ⅱ型异质结和Z型异质结复合光催化剂的构
建及其性能研究
光催化技术可以有效地将有机污染物降解转化为CO<sub>2</sub>、
H<sub>2</sub>O等无机小分子,已成为染料废水处理领域最有前景的绿色技术
之一。
本文开展了基于石墨相氮化碳(g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)复合光催化剂的制备、表征测试及其光催化降解罗丹明B(RhB)的研究工作,旨在解决g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>光催化活性低、光生电子-空穴易复合和太阳能利用率低的问题。
(1)利用溶剂热法和高温煅烧法分别制备了中空微球状CdS和块体
g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>,然后通过煅烧法成功制得了传统Ⅱ型
CdS/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>异质结光催化剂,并对其晶相结构、表面形态、微观形貌、光电化学特性等进行了系统地研究。
并通过
CdS/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>光催化降解RhB研究其光催化活性和稳定性。
实验结果表明CdS/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>复合光催化剂具有良好
的光催化活性,当CdS掺杂比为0.25 wt%时,CdS/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>复合光催化剂具有最佳的光催化活性,其20 min光催化降解RhB速率常数
(K<sub>obs</sub>)约为单体g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>的2.1倍。
同时4次循环实验后,RhB的降解率依然能达到95%,这表明
CdS/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>复合光催化剂具有良好的光催化稳定性。
此外,CdS/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>异质结光催化剂的构建可以有效
解决CdS光腐蚀的问题。
基于以上表征测试和活性物种捕获实验结果,我们从光
生电子-空穴生成,分离和迁移等角度进行了分析,并提出了
CdS/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>光催化活性增强的可能机理。
(2)通过引入碳量子点(CQDs)作为电子传递介质,成功构建了Z型
CdS/CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>异质结光催化剂。
同时CQDs具有良好的上转换荧光性质,可以将近红外光转换为可见光,实现复合光催化剂的宽光谱
响应,提高其对太阳能的利用效率。
具体地,利用碱液超声法制备了单分散的CQDs颗粒,然后通过煅烧法成功制备了Z型CdS/CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>异质结光催化剂。
同时,利用同样方法制得CdS/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>和
CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>复合光催化剂并用作对照研究。
通过各种表征手段对Z型CdS/CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>复合光催化剂的晶相结构、表面形态、微观形貌、光电化学特性等进行了系统地研究,并且证实了其光生电子-空穴依照Z型机制进行传递转移。
通过
CdS/CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>光催化降解RhB,表明Z型复合光催化剂具有良好的光催化活性。
当CdS和CQDs掺杂比分别为0.25 wt%和0.5 wt%时,Z型
CdS/CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>复合光催化剂具有最佳的光催化活性,可见光照射20min后,RhB的降解率为100%;10 min光催化降解速率常数
(K<sub>obs</sub>)约为单体g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>的3.5倍、CdS (0.25%)/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>的2倍和CQDs(0.5%)
/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>的2.6倍。
经过4次循环实验后,RhB的降解率依然能达到93%,这表明Z型CdS/CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>复合光催
化剂显示较高的稳定性。
值得注意的是,在近红外光照射120 min后,Z型
CdS/CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>复合光催化剂对RhB的降解率可达到62%,表明CdS/CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>可实现近红外光响应,提高其对太阳能的利用率。
结合以上表征测试和活性物种捕获实验结果,揭示了CQDs 在Z型CdS/CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>异质结体系中的作用机制和Z 型复合光催化剂对染料有机污染物的光催化降解机理,为
g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>基复合光催化剂降解废水中的染料有机污染物
奠定了理论价值。
与Z型CdS/CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>异质结光催化剂相比,以上构建的传统Ⅱ型CdS/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>异质结光催化剂虽然可
以有效降低g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>光生电子-空穴的复合率,提高其光
催化活性。
但是基于传统异质结光催化剂光生电子-空穴的转移路
径,CdS/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>具有较低价带电势和较高的导带电势,
致使其氧化还原能力较弱。
而Z型CdS/CQDs/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>异质结光催化剂,其光生电子-空穴依照Z型路径转移,使导带电势更负,价带电势更正,进而增强其氧化
还原能力。