氮硫掺杂对石墨烯量子点的可见光催化性能的影响及其机理研究

Graphene quantum dots (GQDs) have special optical properties due to its surface effects and small size effects. It helps to expand the application of GODs in the field of visible light catalytic though changing the electronic structure of it by nitrogen and/or sulfur element doping. In this project, the samples with different doping content and type of nitrogen and/or sulfur will be synthesized by control of reaction conditions. And then the visible light catalytic properties of it and its TiO2 complexes will be studied, respectively, to understand the influence of the doping content and type of nitrogen and/or sulfur on the catalytic performance. Reveals the relationship between the doping content and type of nitrogen and/or sulfur and the catalytic performance from the theory and experiment, and elucidate the mechanism of photocatalytic. To achieve the visible light catalytic performance control of GQDs by controlling the doping content and type of nitrogen and/or sulfur, and determine the correspondence between the doping content and type of nitrogen and/or sulfur and the catalytic performance. To find out the effective method to adjust the visible light catalytic performance by comparing the results of TiO2 complexes with GODs of nitrogen, sulfur, and nitrogen-sulfur dual-doping, respectively. It is expected to provide an experimental and theoretical reference for its application through the results that controlling the visible light catalytic performance by controlling the doping content and type of nitrogen and/or sulfur.

石墨烯量子点（GQDs）由于表面效应和小尺寸效应等特点，使其具有特殊的光学性质。通过氮、硫元素掺杂，可改变GQDs的电子结构，有助于拓展其在可见光催化领域的应用。本项目通过反应条件的控制合成具有不同含量的氮、硫和氮硫双掺GQDs，得到具有不同氮、硫掺杂量和掺杂形式的样品，分别研究它们及与TiO2复合的可见光催化的特点，以求了解氮、硫掺杂量和掺杂形式与光催化性能之间的依赖关系。从理论和实验上揭示光催化性能与氮、硫掺杂量和掺杂形式之间的内在联系，阐明光催化机理。通过对氮、硫掺杂量和掺杂形式的控制，实现对GQDs的可见光催化性能有效调控，确定掺杂量和掺杂形式与可见光催化性能之间的对应关系。并通过比较氮硫双掺杂与氮、硫掺杂GQDs分别与TiO2复合的可见光催化性能，找出调节可见光催化性能的有效方法。预期通过对氮、硫掺杂量和掺杂形式的控制实现对其光催化性能的调控，为其实际应用提供实验和理论依据。

石墨烯量子点（GQDs）作为石墨烯的衍生物，除了具备石墨烯优异的性质外，还具有更强的量子限制效应和边缘效应，在催化等方面有较好的应用前景。GQDs的光催化性能不仅受到量子限制效应的影响，还受到表面/内部的功能性基团所影响。本项目主要研究氮、硫、磷、氮磷共掺杂GQDs的光催化性能。主要内容如下：（1）通过水热法合成了硫掺杂石墨烯量子点/二氧化钛（S-GQDs/TiO2） 纳米复合物。与GQDs/TiO2和TiO2相比，S-GQDs/TiO2纳米复合物具有明显增强光催化活性，在8分钟可降解甲基橙70%。（2）通过不同体积的氨水（50ml,100ml）与GQDs水热合成了不同氮含量的氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs-50, N-GQDs-100)。结果表明，N-GQDs-50的光催化效果最好，12分钟内降解率高达95%，随着吡啶氮和石墨氮含量的增加，催化效果越好，表明吡啶氮和石墨氮在光催化性能中起到非常重要的作用。（3）以芘和Na2HPO4•12 H2O作为前驱体，采用水热法合成了磷掺杂石墨烯量子点（P-GQDs），并将其负载到TiO2表面，实现了P-GQDs/TiO2 p-n结。复合材料对甲基橙的降解表现出高效的光催化活性。光激发产生的电场和p-n结形成的能级差能有效的转移光生载流子，这大大加快了光生电子空穴对的分离和电荷的转移，从而显著加速污染物的降解。（4）首次以磷酸二氢铵作为氮源和磷源制备了氮磷共掺石墨烯量子点（NP-GQDs），并与g-C3N4复合制备了NP-GQDs/g-C3N4 II型异质结光催化剂。在可见光和紫外光照射下，NP-GQDs/g-C3N4对甲基橙的光降解率显著高于纯g-C3N4。光降解活性的提高归因于光生载流子在II型异质结中的有效分离和快速转移。总之，对石墨烯量子点进行改性掺杂进而对光催化性能调控为进一步加深其在光催化应用有重要的科学意义。