改性石墨相氮化碳的制备及其可见光催化性能的研究(2)
3.1.5 FT-IR谱图分析 12
3.1.6 UV-vis分析 13
3.1.7 样品表征小结 14
3.2 催化剂催化活性分析 15
3.2.1 光催化实验分析 15
3.2.2 捕获实验分析 15
3.2.3 重复实验 16
3.2.4 光催化活性分析总结 17
结 论 与 展 望 19
致 谢 20
参考文献21
1 引言
在人类的发展历程中，随着物质生活的不断提高，能源短缺和环境污染问题逐渐受到人们的重视。针对环境污染治理问题，现在普遍使用的方法包括物理吸附法、化学氧化法、以及微生物处理和高温焚烧法。这些方法虽然能解决环境污染问题，但在一定程度上存在效率低、应用范围窄、存在二次污染等问题[1]。为了更环保的解决环境污染问题，研究人员不断致力于开发新的污染治理技术。在这样的背景下，从20世纪70年代开始光催化技术逐步得到发展。光催化技术是利用光催化剂将太阳能转化为其他形式的能源，具有水解制氢和光降解污染物的作用。经过研究者不断研发，光催化反应还具有依赖氧化还原作用降解某些难降解污染物的作用。在光催化反应的过程中，当具有一定能量的光波照射光催化剂时，会产生活性物质：光生电子、空穴以及超氧自由基，这些活性物质具有氧化还原作用，能够降解吸附在催化剂表面的目标污染物。由于光催化技术绿色环保、成本低的特点，在多个领域均得到很高的重视，具有广阔的应用前景[2-7]。
1.1 半导体光催化
1.1.1 半导体光催化机理
半导体光催化是指在光的照射下利用半导体将太阳能转换为化学能的一种反应过程，属于一种非均相反应。半导体之所以能够进行光催化，是由半导体的特殊能带结构所决定的。半导体的能带结构主要由两部分组成：一是充满电子的低能价带（valent band, VB），二是与价带的相对应的空的高能导带（conductionband, CB）。两者之间存在一个不连续的区域，称之为带隙，其大小称为禁带宽度，其能差为带隙能，一般在0.2～3.0eV这个范围。
目前所普遍认同的光催化反应历程如图1.1所示[8]，在受到大于或等于带隙能的光波照射后，半导体价带上的电子受到激发跃迁到至导带，在导带形成激发态电子（e-），同时在价带上产生相应的空穴（h+），这就形成了光生电子/空穴对。它们会向着催化剂表面移动，与此同时也会存在着电子和空穴的再次复合，在迁移复合的同时，会释放出一定的能量。当存在能够捕获光生电子或光生空穴的俘获剂时，就能够抑制电子和空穴的重新合并，减少光生电子和空穴的复合几率。光照下产生的电子能够引起还原反应，而空穴能够导致氧化反应的发生，两者的共同作用能使吸附在催化剂表面的物质发生氧化还原反应[9,10] ，从而达到降解污染物的目的。
在众多的半导体材料中，TiO2因具有化学稳定性、无毒、高光催化活性等优点[11-14]，在光催化技术发展的过程中备受研究者的青睐，被认为是一种高效、绿色环保、适合长期使用的光催化剂。但是，由于TiO2带隙能为3.2eV，只能在具有较高能量的紫外光照射下进行紫外光催化反应。但是紫外光仅占太阳能的一小部分，比重约为4%，而可见光所占比重达到45%，具有投入使用的潜在效益。为了提高光能源的利用效率，拓宽光催化技术的应用范围，探索高效的可见光催化剂是当前的研究重点。
现在，可见光催化剂主要包括三种体系：一是对TiO2改性制备的改性光催化剂，二是铋系光催化剂，三是一种新型的光催化剂——石墨相氮化碳光催化剂[15]。其中，相比与前两种催化剂，石墨相氮化碳光催化剂以其高光催化活性、稳定性好、制备原料低廉，特别是属于非金属类这一突出优点而得到广泛研究[16-18]。