论文总字数：27770字

摘 要

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为新一代光催化剂，具有合成途径简单、能带结构合适、稳定性良好且不含金属、环境友好等特点，在光催化领域受到了广泛的关注和研究。但体相g-C₃N₄由于比表面积小、可见光吸收率低、载流子复合率高，其光催化效率低，实用性差。本文通过氧元素掺杂的方法，改善体相g-C₃N₄的光催化性能。采用水热法和固态反应法制备氧掺杂g-C₃N₄，并探究不同制备方法得到的氧掺杂g-C₃N₄材料在光催化领域的应用。主要包括以下内容：

1.利用水热反应法，以三聚氰胺为前驱体制备了高光催化活性的氧掺杂g-C₃N₄材料，结果显示，在模拟太阳光光催化反应降解有机染料实验中，该材料在20min内对罗丹明B（RhB）的降解率达到了94.1%，准一级动力学速率常数是体相g-C₃N₄的9.25倍。

2.采用固态反应法，将草酸掺入三聚氰胺后煅烧，制备了高光催化活性的氧掺杂g-C₃N₄材料。结果显示，该材料在20min内对RhB的降解率达到了98.8%，准一级动力学速率常数是体相g-C₃N₄的12.16倍。并探索出固态反应法中草酸掺量对氧掺杂g-C₃N₄微观形貌、化学成分和光学性质的影响。草酸的掺入显著改变了g-C₃N₄的微观形貌，使其层片结构破碎成小块、转变为多孔结构。随着草酸掺量增加，氧掺杂g-C₃N₄的粉末颜色逐渐加深，氧含量不断增加，并且带隙降低、对可见光和紫外光的吸收加强。

关键词：石墨相氮化碳；光催化；氧掺杂

Abstract

As a new generation of photocatalyst, graphite phase carbon nitride (g-C₃N₄) has the characteristics of simple synthesis route, suitable band structure, good stability, metal free, and environmental friendliness. g-C₃N₄ is one of the most focused and researched in the field of photocatalysis. However, photocatalytic efficiency of the bulk phase g-C₃N₄ is not high, owing to the small specific surface area, low visible light absorption and high carrier recombination rate. In this paper, oxygen-doping methods was used to improve the photocatalytic performance of bulk phase g-C₃N₄. Oxygen-doped g-C₃N₄ was prepared by hydrothermal method and solid-state reaction method, and the application of oxygen-doped g-C₃N₄ materials obtained by different preparation methods in photocatalysis were explored. It mainly includes the following contents:

1.Oxygen-doped g-C₃N₄ materials were synthetized by hydrothermal reaction, which used melamine as precursor. The results showed that the degradation rate of Rhodamine B (RhB) in the simulated photocatalytic degradation reached 94.1% in 20min, and the pseudo-first-order kinetic rate constant was 9.25 times of bulk g-C₃N₄.

2.Oxygen-doped g-C₃N₄ material was prepared by solid-state reaction method, which was synthesized by calcining oxalic acid and melamine. The results showed that the degradation rate of RhB reached 98.8% within 20 min, and the pseudo-first-order reaction kinetics rate constant was 12.16 times that of the bulk phase g-C₃N₄.In solid state reaction method, the incorporation of oxalic acid significantly changed the microscopic morphology of g-C₃N₄, causing its lamellar structure to break into small pieces and transform into a porous structure. As the amount of oxalic acid increases, the color of the oxygen-doped g-C₃N₄ powder gradually deepens, the oxygen content increases, and the band gap decreases, and the absorption of visible light and ultraviolet light is enhanced.

KEY WORDS：graphite phase carbon nitride; photocatalysis; Oxygen-doped

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 g-C₃N₄概述 2

1.2.1 g-C₃N₄的结构 2

1.2.2 g-C₃N₄的制备方法 3

1.2.3 g-C₃N₄的光催化原理与应用 6

1.2.4 g-C₃N₄的掺杂改性 9

1.3本文的研究目的和主要研究内容 10

第二章 实验及研究方法 12

2.1化学试剂和实验设备 12

2.2测试与表征 13

2.2.1表征方法 13

2.2.2光学性质测试 14

2.2.3光电化学活性测试 14

2.2.4光催化性能及动力学研究 14

第三章 水热法制备氧掺杂g-C₃N₄及其光催化性能研究 16

3.1引言 16

3.2实验过程 16

3.2.1体相g-C₃N₄的制备 16

3.2.2水热法制备氧掺杂g-C₃N₄ 16

3.3结果与讨论 17

3.3.1 HT-GCN与HP-GCN的结构表征 17

3.3.2 HT-GCN与HP-GCN的形貌分析 18

3.3.3水热反应时间对HT-GCN光学性质的影响 19

3.3.4水热反应时间对HT-GCN光电性能的影响 20

3.3.5水热反应时间对HT-GCN光催化性能的影响 21

3.4本章小结 22

第四章 固态反应法制备氧掺杂g-C₃N₄及其光催化性能研究 23

4.1引言 23

4.2实验过程 23

4.3结果与讨论 24

4.3.1 PVP-GCN与OA-GCN的结构表征 24

4.3.2 PVP-GCN与OA-GCN的形貌分析 25

4.3.3草酸掺入量对OA-GCN光学性质及光电化学活性的影响 26

4.3.4草酸掺入量对OA-GCN光催化性能的影响 28

4.4本章小结 29

第五章 结论 30

致谢 31

参考文献 32

第一章 绪论

1.1引言

近一个世纪以来，科技的急速发展使得人们物质生活极大提高，然而能源的消耗也随着社会发展急剧增加，尤其是以煤炭、石油、天然气为代表的化石能源消耗极大。与100年之前对比，全球化石能源的年均消耗量已经增加了十几倍，由于化石能源的不可再生性，能源短缺已经成为目前威胁人类生存的重大难题^[1]。同时，能源快速消耗也带来严峻的环境问题，各种环境污染已经严重扰乱和破坏生态系统，威胁人类生存。因此，寻找有效的清洁可再生能源是当务之急。作为地球所有能源的源头，太阳能的有效利用无疑是从本质上解决能源危机的方案之一。在各种利用太阳能制备可再生能源的项目中，以半导体为基础的光催化理论作为一种以清洁方式储存太阳能的方案具有广阔的应用前景，在环境和能源方面受到了越来越多的关注。半导体光催化技术被视为解决能源危机和环境污染的绿色可持续发展的重要途径之一。

1972年，Fujishima和Honda利用TiO₂在紫外线照射下分解水制得氢气，开创半导体光催化技术的首次应用^[2]。之后，Carey在1976年成功利用TiO₂在水基溶液中分解多氯联苯（polychlorinated biphenyls），证实半导体光催化可以降解有机污染物^[3]。1979年，Inoue和Fujishima等人合作，以悬浮于水中的光敏半导体粉末作为催化剂光催化还原二氧化碳，形成有机化合物如甲酸，甲醛，甲醇和甲烷，并测试TiO₂、ZnO、CdS、GaP和SiC几种半导体的光催化性能，阐明光催化的光催化动力学^[4]。自此，越来越多的科研人员投入到光催化材料的研究中，半导体光催化技术迅猛发展。

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