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

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CO₂、

H₂O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-C₃N₄）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-C₃N₄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-C₃N₄,然后通过煅烧法成功制得了传统Ⅱ型

CdS/g-C₃N₄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-C₃N₄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-C₃N₄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-C₃N₄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_obs)约为单体g-C₃N₄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-C₃N₄复合光催化剂具有良好的光催化稳定性。

此外,CdS/g-C₃N₄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-C₃N₄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-C₃N₄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-C₃N₄异质结光催化剂。同时,利用同样方法制得CdS/g-C₃N₄和

CQDs/g-C₃N₄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-C₃N₄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-C₃N₄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-C₃N₄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_obs)约为单体g-C₃N₄的3.5倍、CdS（0.25%）/g-C₃N₄的2倍和CQDs（0.5%）

/g-C₃N₄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-C₃N₄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-C₃N₄复合光催化剂对RhB的降解率可达到62%,表明CdS/CQDs/g-C₃N₄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-C₃N₄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-C₃N₄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-C₃N₄异质结光催化剂相比,以上构建的传统Ⅱ型CdS/g-C₃N₄异质结光催化剂虽然可以有效降低g-C₃N₄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-C₃N₄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-C₃N₄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。