碳氮石墨烯/金属氧化物异质结材料的构建及其光催化降解多环芳烃类污染物研究

Photocatalytic degradation of persistent polycyclic aromatic hydrocarbon organic pollutants with visible-light-active photocatalytic systems is attracting extensive interest. In this project, the carbon-nitrogen graphene is synthesized by electrochemical exfoiation. The carbon-nitrogen graphene/transition metal oxide heterojunction photocatalysts are designed and synthesized by a novel and environmentally route. To manufacture the carbon-nitrogen graphene/transition metal oxide heterojunction photocatalysts, this route develops an ionic liquid system containing metal ions which can play the important roles of solvent, reactant, dispersing agent and template at the same time. It will investigate the synthesis method for carbon-nitrogen graphene materials and study their physical and chemical properties. Through changing metal-based ionic liquids, it is to achieve the transition metal oxide nanoparticles controlled growth and dispersion on the surface of the carbon-nitrogen graphene, which is to carbon-nitrogen graphene/transition metal oxide heterojunction materials with large adsorption capacity and high visible light photocatalytic performance. The relationship between the photocatalytic activity and the structural features of the prepared photocatalysts will be investigated through a systematic characterization analysis. The possible mechanism of photocatalytic degradation for persistent polycyclic aromatic hydrocarbon organic pollutants over carbon-nitrogen graphene/transition metal oxide heterojunction photocatalysts will be proposed. The photocatalytic degradation process and dynamics will be studied in situ spectroscopic characterization.

运用高效可见光响应光催化材料催化降解持久性多环芳烃类有机污染物的研究是光催化领域的热点问题。本课题拟采用电化学剥离法制备碳氮石墨烯材料；以过渡金属基离子液体为金属反应源、分散剂和表面活性剂，原位构筑碳氮石墨烯/过渡金属氧化物异质结光催化材料。建立碳氮石墨烯的制备方法并分析其物理化学性质；通过离子液体的调变作用，实现过渡金属氧化物在碳氮石墨烯材料表面的原位可控生长和有效分散。探索异质结光催化材料微观结构对多环芳烃类有机污染物光催化降解的影响规律，系统分析组成-结构-性能的相互关系及其调变规律，阐明异质结材料光催化性能的增强机制；实现合成材料的大吸附容量、高光催化性能和可见光响应等多功能集成。深入分析研究碳氮石墨烯/过渡金属氧化物异质结材料光催化性能增强的内在机制及光催化机理。通过原位谱学表征研究多环芳烃类有机污染物光催化降解转化规律及其动力学特性。

针对水环境中难降解有机污染物，以宽光谱响应、高量子效率的光催化材料设计与开发为主线，设计和制备了用于可见光光催化降解的光催化材料10余种，包括含过渡金属氧化物/二维氮化碳复合材料、z型机制的光催化材料、g-C3N4杂化材料及磁性系列复合催化材料。本项目主要通过引入量子尺寸效应、表面形成物理异质结结构等方式增强光生载流子的分离效率及光的利用率，达到提升光催化性能的目的。主要包含以下工作：(1) 利用水热剥离和高温煅烧法，控制合成类石墨烯、金属氧化物/类石墨烯异质结复合光催化材料，实现其结构、性质的调控。通过调控金属氧化物的形貌、含量，增强与二维氮化碳之间的协同作用，从而达到提升催化剂光催化降解性能的目的。实验中发现，金属氧化物不仅拓宽了可见光的吸收范围，同时可作为自催化剂，实现光催化材料的控制合成。选择了三聚氰胺作为氮化碳的前驱体，通过水热剥离法和高温煅烧法分别合成出具有特定形貌及厚度的金属氧化物/氮化碳异质结复合光催化材料，并实现了光催化材料高效降解有机污染物。筛选出了Fe2O3 QDs/2D-C3N4、MoO2⁠/GL-C3⁠N4⁠、flg-C3N4/α-MoO3、SnO2/GL-g-C3N4等4种复合异质结光催化材料，通过多种表征方法对其结构进行了系统分析研究。上述合成的材料均能够有效降解甲基橙、罗丹明B等有机染料，其降解率达到95%以上。在研究降解动力学和自由基捕获实验基础上，对其光催化降解机理进行了深入讨论。(2) 合成并筛选出了具有高能效、高活性的2D-C3N4光催化材料，实现高效光催化产氢。为进一步拓展二维氮化碳的应用领域，尝试通过表面改性光催化材料实现其光催化产氢。在各个组分协同作用下，迅速提升其光催化产氢性能，并探究其光催化产氢机理。 (3) 以环境友好型薄层氮化硼二维材料为基材，合成廉价、高稳定性、高活性的催化材料，拓展了催化剂的应用领域。上述合成的高活性、高稳定性光催化材料，对环境有机污染物的治理具有一定的现实意义。