石墨烯-类石墨烯相氮化碳复合光催化剂的制备及光催化性能研究开题报告

 2022-01-09 08:01

全文总字数:6202字

1. 研究目的与意义(文献综述)

在过去的几十年中,由于化石燃料的消耗、能源需求和环境问题的日益严峻,激发了人们加大能源领域研究的意识。随着工业化和人口的快速增长,预计到2050年全球能源需求量将提高到目前的两倍。目前,世界能源需求的满足在很大程度上取决于化石燃料,例如石油、煤炭和天然气,然而它们正在迅速耗尽。化石燃料的消耗不可避免地会导致有害气体排放,对环境有害。因此,材料科学与工程领域的科研人员一直在寻求新颖的发现和前沿技术,以克服进行能量转换和环境保护所遇到的障碍。在各种可再生能源项目中,基于半导体的光催化项目可收获不竭的清洁的太阳能。半导体光催化技术由于其在能源和环境领域应用中的潜力而受到了广泛的关注。到目前为止,将太阳能直接转化为能源燃料和化学能一直被视为解决未来能源和环境危机的绿色可持续途径之一。除了将太阳光作为驱动力之外,光催化还需要合适的半导体来进行多种催化反应,例如分解水以生成h2和o2、将co2还原为烃类燃料、降解有机污染物、对细菌进行消毒以及选择性合成有机化合物。在1972年,藤岛和本田共同进行了一项开创性的研究,引发了在紫外光(uv)下利用tio2电极进行光催化分解水的里程碑事件。inoue和同事研究了在水溶液中使用半导体粉末(如tio2、zno、sic、gap和cds)将co2光催化还原为各种有机化合物的反应。此后,如许多评论中所报道的,人们在高效的基于半导体的光催化剂制造方面有了实质性的进展。根据文献调查,潜在的紫外线活性和可见光活性光催化剂包括tio2,zno,fe2o3,cds,bi2wo6,bivo4,ta3n5,taon等。开发高质量的半导体光催化剂来克服能源短缺和环境威胁等问题已成为目前研究的热点。

最近,为了有效地利用太阳光,研究人员一直聚焦于设计可见光响应型光催化剂,太阳光谱包含了大部分可见光(约43%)。由于太阳能利用率低,传统tio2等半导体光催化剂的大禁带宽度仍然是实现可见光应用要求的瓶颈。因此,在寻找强光和可见光活性半导体光催化剂的过程中,作为下一代光催化剂的高分子半导体石墨烯相碳氮化物(g-c3n4)由于其合成简单、电子能带结构吸引人、物理化学稳定性高、具有储存资源丰富等性质在学界引起了关注。重要的是,g-c3n4很容易通过三聚氰胺、双氰胺、氰胺、尿素、硫脲和硫氰酸铵等富含氮的前体通过热聚合来制备。

由于g-c3n4由地球储存丰富的碳和氮元素组成,可以灵活地进行反应来改变其表面活性,而不会明显改变它的结构和组成。由于g-c3n4的聚合特性,在分子水平上通过表面工程可以很容易地调控其表面化学性质。此外,由于sp2-杂化碳和氮的存在,它在c3n4的七个相中具有最低的带隙,从而建立了π共轭电子结构。与tio2相比,g-c3n4具有2.7-2.8ev的中等带隙,使其可吸收约450-460 nm的可见光。作为所有c3n4结构中最稳定的同素异形体,g-c3n4在空气中的热稳定性高达约600℃,热重分析(tga)证明了这一点,这可归因于芳香族c-n杂环。除此之外g-c3n4还具有良好的化学稳定性,不溶于酸、碱或有机溶剂,因此在自然环境下g-c3n4是一种坚固可靠的材料。由于g-c3n4具有许多令人感兴趣的性质,它被认为是一种很有前途的非金属半导体光催化剂,可以给光催化应用领域带来巨大的变化。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

2.1.1材料制备

1. 使用尿素在空气中通过热聚合制备块状g-c3n4

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-7周:按照设计方案进行准备实验,探索制备石墨烯以及石墨烯-类石墨烯相氮化碳复合光催化剂。

第8-11周:采用xrd、sem、bet、uv-vis及6a产氢系统等进行形貌结构与性能的表征。

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4. 参考文献(12篇以上)

1. wang y, wang x,antonietti m. polymeric graphitic carbon nitride as a heterogeneousorganocatalyst: from photochemistry to multipurpose catalysis to sustainablechemistry[j]. angew chem int ed engl, 2012, 51(1): 68-89.

2.liu x, giordano c, antonietti m. a facile molten-salt route to graphenesynthesis[j]. small, 2014, 10(1): 193-200.

3.liu x, fechler n, antonietti m. salt melt synthesis of ceramics, semiconductorsand carbon nanostructures[j]. chem soc rev, 2013, 42(21): 8237-65.

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