摘 要

半导体光催化剂可吸收太阳光并将其转化为化学能，借助光化学反应不仅可以降解有机污染物，也能光分解水产生氢气等清洁能源，因而寻找高效的半导体光催化剂具有十分重要的意义。在已发现的这么多半导体光催化剂中，TiO₂材料化学性质稳定，能耐光腐蚀且成本价格便宜，受到科研工作者的广泛关注。可是锐钛矿型TiO₂自身的两大缺陷严重影响了其光催化性能和应用：其一，较宽的禁带宽度（3.2 eV），吸收波长阈值约为387 nm导致其只能吸收太阳光中占比很低（lt;5%）的紫外光，阻挡了其对太阳光的高效利用；其二，光生电子跟空穴的高复合率，使其对光量子的利用降低了。我们应用很多方法去改性TiO₂，提高其光催化性能，其中异质结的构筑被认为是一种有效措施。

本文通过TiO₂和窄带隙g-C₃N₄复合，成功构建了棒状TiO₂/g-C₃N₄ 纳米片异质结，显著提高TiO₂的光催化活性。另外，本文通过光降解反应研究了改性后的样品的光催化活性，就是光照下降解罗丹明的降解率来看光催化活性。

关键词：C₃N₄纳米片 棒状TiO₂ 异质结 光催化

Fabrication of rodlike-TiO₂/g-C₃N₄ nanosheets and the improved photocatalytic properties

Abstract

Semiconductor photocatalysts can absorb and convert solar energy into chemical energy，this effect can be used to not only decompose some organic pollutants but also produce clean energy such as hydrogen through photocatalytic reactions. Thus, it is of great significance to develop efficient semiconductor photocatalysts. Among numerous photocatalysts, TiO₂ has been widely studied due to its good chemical stability, light corrosion resistance, and low cost. However, the two existing deficiencies have seriously affected its practical application. For anatase TiO₂, it can only absorb ultraviolet light accounting for less than 5% in the solar spectrum, attributed to the absorption wavelength threshold is about 387 nm, which severely limits its utilization of sunlight. In addition, the high recombination rate of photogenerated carriers is another deficiency to the photocatalytic reaction. Many methods have been used to modify TiO₂ to improve its photocatalytic performance, and the construction of heterojunctions is considered as an effective measure.

In this work, the TiO₂ and g-C₃N₄ (narrow bandgap) were used to construct rod-like TiO₂/g-C₃N₄ nanosheet heterojunctions, which significantly improved the photocatalytic activity of TiO₂. In addition, the photocatalytic activity of the modified sample was studied by photodegradation reaction. It is the degradation rate of photodegradation rhodamine and the photocatalytic activity.

KEYWORDS: C₃N₄, nanosheets, rod-like TiO₂, heterojunctions, photodegradation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1背景 1

1.2半导体光催化 3

1.3纳米TiO₂制备方法 3

1.3.1化学共沉淀法 3

1.3.2微乳液法 5

1.3.3溶胶-凝胶法 7

1.3.4超临界流体法 9

1.3.5溶剂热法(高温高压法) 10

1.3.6化学气相沉积法 11

1.4提高TiO₂光催化性能的改性技术 12

1.4.1构建异质结 12

1.4.2金属和非金属元素掺杂 15

1.4.3改性二氧化钛晶面 18

1.5 TiO₂光催化技术应用 20

1.5.1光催化分解环境污染物 20

1.5.2光催化分解水产氢 20

1.5.3光催化CO₂还原 21

1.5.4光催化抗菌 21

1.6论文选题及研究内容 21

第二章 棒状TiO₂/g-C₃N₄纳米片的制备及其光解亚甲基蓝研究 23

2.1引言 23

2.2 实验部分 24

2.2.1 化学试剂 24

2.2.2催化剂的制备 24

2.2.3催化剂的表征实验 25

2.2.4催化剂的性能测试 26

第三章 结果与讨论 29

3.1 样品的晶体结构 29

3.2 样品的傅里叶红外分析 30

3.3 样品的形貌分析 31

3.4 样品的光学性质分析 32

3.5样品的光催化性能测试结果 32

第四章 结论 34

参考文献 35

致 谢 39

第一章 文献综述

1.1背景

科学技术的发展瞬息万变，人们的生活水平也达到空前的高度，科技、生产力不断发展。发展的代价是人们不断消耗煤、石油等化石燃料，发展速度越快，消耗速度越快，可是化石燃料的储备是有固定量的,不可能取之不竭，所以我们正面临着能源需求与能源日益短缺的巨大危机,化石燃料的这种过量消耗也造成了严重的环境污染问题。因此，我们必须创造新的能源来应对缺乏好的能源，促进清洁能源的使用。解决环境污染、可持续发展问题，探索人与自然和平共处的新思路，新技术。

每年大约数十万太瓦的太阳福射能量到达地面。目前为止，太阳能转化为其他形式能源的主要途径有：光热转化、转化成生物能、转化为电能、转化为化学活化能。光化学转化技术是一种能把太阳的福射能转化为化学自由能的途径，光催化技术是其中的一种，是利用自然界中丰富的太阳辐射能，借助某些化学物质特殊的光催化能力，来产生催化的作用，而作为催化剂的化学物质本身不发生变化，只是加快化学反应的技术^[1]。光反应单纯的在光下照射反应是有点慢的，要给用上光催化剂，催化性能优、价格相对便宜的、理化结构稳定的催化剂对于利用太阳能转化的化学能有很大促进作用

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