不同形貌C3N4/C-Dots高效光催化材料的制备及其光催化降解典型PPCPs的机制研究

C3N4 is a novel visible light photocatalyst that its light absorption range is less than 460 nm. C-Dots is a newly discovered material with upconverted function on light, which can be excited by long-wavelength light (from 500 to 1000 nm) with the upconverted emissions located in the range from 325 to 425 nm. This project intends to modify C3N4 using C-Dots. The nano-photocatalytic material will be prepared, which will have high efficient utilization of solar energy containing the ultraviolet light, visible light and near-infrared light. Then the photocatalytic mechanism will be studied. The research contents include setting up a control theory for optimized process conditions of the preparation of different morphologies of C3N4/C-Dots through analyzing the relations among the preparation condition, catalyst microstructure and catalytic activity; revealing the photocatalytic mechanism of C3N4/C-Dots through studying the correspondences of catalyst activities and the waveleng of the light source, adsorption and degradation behaviors in the catalyst surface and steady-state concentration of different active free radicals in the system; elucidating the degradation mechanism and pathways of typical PPCPs through studying the contribution rate of various free radicals and the corresponding degradation products via the catalysis of C3N4/C-Dots.

C3N4是一种新型的可见光光催化剂，可吸收波长小于460 nm的光；C-Dots是新近发现的对光具有上转换功能的物质，能将500-1000nm的长波光转换为325-425nm的短波光。本项目拟利用C-Dots对C3N4进行改性，制备在紫外、可见、近红外光下均具有活性，可高效利用太阳能的C3N4/C-Dots系列光催化材料，并对其催化机理进行研究。研究内容包括：通过研究“制备条件-催化剂微观结构-催化活性”之间的内在联系，建立起催化剂制备时工艺条件优化的调控理论，并制备具有不同形貌的C3N4/C-Dots光催化剂；通过研究催化剂活性与光源波长的对应关系、目标物在催化剂表面的吸附与降解行为，以及体系中各种自由基的稳态浓度，揭示C3N4/C-Dots的光催化机理；通过研究PPCPs在C3N4/C-Dots作用下催化降解时，各种自由基的贡献率及相应的降解产物，剖析典型PPCPs降解机制及降解途径.

以不同物质为碳源，制备了化学组成有差异的碳点C-Dots。通过对C-Dots与半导体复合后对半导体光催化性能影响的系统研究，发现C-Dots在与半导体复合后对半导体光催化性能的影响主要是通过三种作用途径实现的：（1）C-Dots对光具有上转换功能，可以大大拓宽半导体光催化剂的吸收光范围，这是基于C-Dots掺杂制备可见光光催化剂的主要原理基础；（2）C-Dots具有优良的光电化学性质，可以作为良好的电子运输载体，催化剂受光激发产生的电子会转移到 C-Dots 上，阻碍了电子与空穴的复合，增强了催化剂的氧化活性，这是C-Dots掺杂可以提高半导体光催化性能的主要原因之一；（3）C-Dots掺杂某些半导体后，可以与半导体产生Z型异质结，不仅实现了电子-空穴的有效转移，还可以发挥C-Dots导带电子的还原活性，这也是C-Dots掺杂可以进一步提高某些半导体光催化性能的原因。.制备了块状g-C3N4，介孔型mpg-C3N4、超薄型C3N4（UCN），研究了不同形貌C3N4的比表面积、光电特性等理化性质，揭示了不同形貌C3N4的光催化活性差异的原因：（1）由C3N4比表面积变化引起，比表面积越大，其对有机物的吸附性能越好，越有利于光催化的进行；（2）由不同形貌C3N4对电子-空穴对的分离能力不同引起，对电子-空穴对的分离能力越强，其光催化活性越高。.在此基础上，研究了一系列不同形貌C3N4/C-Dots高效光催化材料的制备方法，同时还对在这些催化剂作用下典型PPCPs的降解产物、降解路径、光催化降解机制等进行了阐释。.作为对国家基金研究内容的拓展，项目还研究了利用C-Dots对TiO2、BiPO4、BiOCOOH、ZnFe2O4等其它半导体材料进行掺杂制备新型可见光复合光催化剂的方法，提出了一种基于C-Dots掺杂制备可见光光催化剂的新途径。同时还研究了利用C3N4与半导体TiO2、MoO3、Ag2WO4、ZnFe2O4、CuFe2O4等进行复合，制备异质结复合光催化剂的方法，揭示了2型和Z型异质结产生的电位匹配性原理，阐明了异质结复合光催化剂具有高光催化活性的机理：（1）异质结的形成提高了电子-空穴对分离效率；（2）Z型异质结最大限度地利用了两种半导体的优势导带和优势价带。