半导体光催化剂外文翻译资料

 2022-07-29 17:13:16

英语原文共 27 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

摘要：

半导体光催化剂被认为是解决世界能源短缺和环境污染问题的有吸引力的方式。由于2009年对石墨氮化物（g-C3N4）的可见光光催化水分解的开创性工作，基于g-C3N4的光催化已成为一个非常热门的研究课题。本综述总结了近期在g-C3N4基光催化剂的设计和制备方面的进展，包括原始g-C3N4的制备和纳米结构设计，原子级掺杂和分子级修饰的带隙工程，以及基于g-C3N4的半导体复合材料。同时，综述了g-C3N4基光催化剂在水分解，二氧化碳还原，污染物降解，有机合成和细菌消毒领域的光催化应用，重点是碳材料，非贵金属助催化剂促进的光催化 ，和Z方案异质结。最后提出了结语，并强调了对于基于g-C3N4的光催化剂未来发展的一些观点。

一、介绍

能源短缺和环境问题日益严重的全球危机正在成为人类社会长期发展的重大威胁。 政府和科学家正在努力寻找绿色技术作为解决上述问题的可持续方式。 在潜在的解决方案中，基于半导体的光催化已经出现了不可估量的优势，因为它被认为是一种经济，可再生，清洁和安全的技术，其仅需要取之不尽的太阳能光源作为驱动力，并且合适的半导体作为光催化剂进行用于各种应用的催化反应，例如从水分解产生氢气，将CO2还原成烃燃料，有机污染物的分解和矿化，选择性有机合成，甚至细菌的消毒。

半导体光催化研究始于1972年，由Fujishima和Honda合着的TiO2电极开创光电化学水分解。四年后，Carey等人 报道了TiO2光催化剂存在下有机污染物的光催化分解。之后，1979年，Inoue等 报道了TiO2，ZnO，CdS，GaP和SiC等半导体粉末的水悬浮液中CO 2的光催化还原。从那时起，已经发表了大量关于高效率和稳定的半导体光催化剂开发的研究文章。通过这项研究，许多半导体已经被识别为在紫外或可见光下的潜在光催化剂，例如TiO2， ZnO，SnO2，Fe2O3，BiVO4，Cu2O，和CdS等。每种光催化反应基本上涉及三个过程：光子吸收;电子-空穴对产生和分离;和催化表面反应。因此，光催化性能的任何改进都需要增强上述三种方法。到目前为止，研究人员已经做出了许多努力开发新型可见光活性光催化剂，因为可见光在太阳光谱中是丰富的。例如，Zou等人和刘等人报道Ln1-xNixTaO4和Y2Ta2O5N2作为用于从水分裂产生氢气的新型可见光光催化剂。 Maeda等人还发现固溶体Ga1-xZnxO1-xNx可以在可见光下分裂水。另一方面，现有的半导体（特别是TiO2）的掺杂已经被证明是将它们的光吸收扩展到可见光区域的有效方式。然而，由于电荷载体的快速复合，现有光催化剂的严重缺点通常是它们的低光催化效率。为了改善电荷载流子分离，选择开发合适的半导体复合材料，以确保通过导带（CB）和价带（VB）偏移相反的电子和空穴迁移。另一个选择是将助催化剂固定在光催化剂的表面上，其不仅可以通过捕获电子或空穴来改善电荷分离，而且还通过降低活化能来有利于表面催化反应。在这方面，贵金属通常用作高效助催化剂。例如，Yan等人开发了Pt-PdS / CdS复合光催化剂，在420nm处具有93％的稳定的量子效率。最近，与贵金属助催化剂相比，还研究了不含贵金属的助催化剂，其中有些显示出竞争性能。

通常称为g-C3N4的石墨碳氮化物在环境条件下被认为是各种碳氮化物中最稳定的同素异形体。 g-C3N4的历史可以追溯到19世纪30年代由Berzelius和Liebig发现的胚胎形式“甜瓜”。“Melon”是由互连的线性聚合物三正三嗪通过次级氮，而g-C3N4是由通过叔胺互连的三-s-三嗪组成的2D片的形式。然而，2006年，g-C3N4引入非均相催化领域已不久前就出现了。尤其是g-C3N4在光催化中的应用首先被Wang等人。用于可见光光催化水分解。与仅在UV区域中活性的TiO 2不同，g-C3N4具有约7的带隙2.7 eV，CB和VB位置分别为 -1.1 eV和 1.6 eV vs正常氢电极（NHE）。这使得它能够成为一系列反应的可见光活性光催化剂。热重分析（TGA）显示，g-C3N4即使在高达600℃的空气中也是热稳定的，这可归因于其芳族C-N杂环。由于层之间的强烈的范德华相互作用，g-C3N4在大多数溶剂如水，醇，N，N-二甲基甲酰胺（DMF），四氢呋喃（THF），乙醚和甲苯中是化学稳定的，以及冰醋酸和0.1M NaOH水溶液。由于与石墨类似的层状结构，理想的单层g-C3N4的理论规格表面积可高达2500m2g-1。更重要的是，g-C3N4仅由两个富含土壤的元素组成：碳和氮。这不仅表明它可以以低成本容易地制备，而且其性质可以通过简单的策略进行调整，而不会显着改变整体组成。此外，其聚合物性质允许通过分子级修饰和表面工程控制表面化学。此外，g-C3N4的聚合性质确保了结构的足够灵活性，其可以用作与各种无机纳米颗粒具有突出相容性的主体基质;后一个特征对于制备基于g-C3N4的复合材料是非常有益的。g-C3N4独特的前述特性使得该材料成为各种应用中非常有希望的光催化剂。近年来，在g-C3N4基光催化领域取得了巨大的成果。

在这里，我们全面概述了g-C3N4基光催化剂的设计，制备和应用的最新进展。 首先，介绍了原始g-C3N4光催化剂的制备和纳米结构设计，然后对原子级掺杂和分子级改性的带隙工程进行了彻底的讨论。 接下来，详细讨论了制备g-C3N4基光催化剂，特别强调异质结构形成。本文的另一部分介绍了g-C3N4基光催化剂在水分解，二氧化碳还原，污染物降解，有机合成和细菌消毒领域的光催化应用。特别是那些通过碳材料和非贵重金属助催化剂的存在以及涉及Z方案异质结增强光催化的那些表现出增强光催化过程的那些。最后，介绍了关于未来探索g-C3N4基光催化剂的结论和观点。

二、g-C3N4型光催化剂的设计

2.1 原始g-C3N4的合成

2.1.1 前体和反应参数的影响

g-C3N4可以简单地通过几种低成本富氮前体的热缩合来制备，例如氨酰胺，双氰胺，三聚氰胺，硫脲，脲，或其混合物。通常使用X射线粉末衍射（XRD）图案来确定碳氮化物的相。g-C3N4的XRD图谱具有两个明显的衍射峰。27.4和约13.0°。 对于石墨材料，前者可以被指定为芳族体系的层间堆叠的002峰特征，后者可以被指定为对应于晶面间分离的100峰。 X射线光电子能谱（XPS）测量用于研究碳（C）中碳和氮元素的状态，包括C-C中的sp2键碳（约284.6 eV）和N-C=N（约288.1eV），C-N = C（约398.7eV）中的sp 2键氮，叔N-（C）3族中的氮（约400.3eV）和氨基的存在（C-N-H，约401.4eV）。因此，采用元素分析法来确定g-C3N4材料的元素含量，如C和百分比以及C / N比。通常使用紫外-可见漫反射光谱来评估g-C3N4样品的带隙（Eg）。可以通过使用以下简单方程估算大致，例如：Eg = 1240 /lambda;，其中lambda;[nm]是给定样品的吸收带边缘。

通常，g-C3N4的物理化学性质与所用前体的类型和反应参数有关。 Yan等人在不同温度的半闭合系统中加热了三聚氰胺，发现产物的C / N比从0.721增加到0.742，随着加热温度从500℃升高到580℃，带隙从2.8降低到2.75eV 。对于比理想的g-C3N4的较小的C / N摩尔比值（0.75），由于不完全的冷凝，可能存在胺基。值得注意的是，以C / N化学计量比为0.75的理想的g-C3N4的制造是困难的。然而，g-C3N4中的痕量缺陷可能有益于调整其带隙。另一方面，现有的胺基可以部分降低g-C3N4的表面惰性并促进其与目标反应物的相互作用。然而，C / N化学计量比过低是不利的，应该避免，因为不完全冷凝引起的过度缺陷会对电荷迁移和分离产生负面影响。 g-C3N4的特定表面积取决于所用的前体和合成条件;例如，对于三聚氰胺衍生的g-C3N4，报道了小的表面积（约8m 2 g -1）。Zhang等人报道了在不同温度下加热硫脲制备了g-C3N4。温度从450℃升高到600℃有利于g-C3N4的缩聚，随后改善了芳香族薄片的结构互连性和增加的电子离域。然而，比650℃高的温度可能导致g-C3N4的分解，从而降低粒度。结果，对于在450℃，550℃和650℃下制备的g-C3N4，带隙首先降低，然后从2.71增加到2.58和2.76eV。与三聚氰胺衍生的g-C3N4相比，硫脲衍生的g-C3N4的Brunauer-Emmett-Teller（BET）特异表面积增加到52m2g-1。最近，发现尿素是制备具有高特异性表面积的g-C 3 N 4的优良前体，因为它产生厚度更小的片状g-C3N4。Dong 等人在550℃下加热尿素不同时间段，发现所得g-C3N4的厚度从36nm减小到16nm，比表面积从31到288m 2 g -1增加因为热解时间（不包括加热时间）从0增加到240分钟。从其他工作已经指出，具有相对较高的特定表面积的g-C3N4可以通过在热处理之前修饰上述前体来制备。例如，Yan等人证明，由硫酸处理的三聚氰胺制备的g-C3N4具有比未处理的三聚氰胺（约9m 2 g -1）制备的更高的特异性表面积（约16m 2 g -1）。作者提出，用硫酸改性三聚氰胺导致了不同的冷凝过程，其中三聚氰胺的升华被抑制。 张等人 在N2流中在650℃下处理三聚氰胺和硫的混合物（S8）2小时以获得具有比仅由三聚氰胺制备的g-C3N4更高的表面积和更窄的带隙的g-C3N4材料。有趣的是，这种硫介导的合成不会引起硫的掺杂效应，而是影响聚合过程。Long等人还报道，在700℃下硫氰酸胍的热处理引起其脱硫和聚合，这导致形成具有高结晶度和低密度表面缺陷的原始g-C3N4，以及较高的 比表面积42m2 g-1。

表1总结了通过使用不同前体和反应条件制备的典型g-C3N4样品的带隙和特定表面积。这些实例表明，选择不同的前体，结合对反应参数的适当控制，如热处理的时间和温度，是优化g-C3N4的电子结构和特定表面积的有效策略。在用于合成g-C3N4的各种前体中，尿素是制备具有高比表面积的薄层g-C3N4的有效化学品。然而，为了简化g-C3N4材料的合成并进一步提高其性能，应探索各种前体和实验条件，例如最近报道的去角质方法。

2.1.2 块状g-C3N4的剥离

尽管理想分层的g-C3N4具有巨大的理论规格表面积，但由于聚合物层的堆叠，原样制备的块状g-C3N4材料通常表现出非常低的特定表面积。 为了提高g-C3N4的利用率，有必要找出分离堆积层的方法。幸运的是，文献中关于碳氮化物的现有工作表明，这种材料可以通过使用适当的方法被剥离成薄层。用石墨烯制备石墨烯已知的诸如苏格兰胶带辅助剥离的机械剥离已被成功地用于具有插层溴离子的碳氮化物聚（三嗪酰亚胺）剥离。然而，还没有报道用于加工三-三嗪基碳氮化物。这里我们总结了g-C3N4的各种去角质方法。

杨等报道了超声处理辅助液体剥离法，从体积g-C3N4制备薄层g-C3N4纳米片。发现具有低沸点的异丙醇是在连续超声处理下大规模剥离体积g-C3N4的优异溶剂。所得的g-C3N4纳米片的厚度非常小（约2nm），这对于实现该材料的高表面积为384m2 g-1是必不可少的。电化学阻抗谱（EIS）研究表明，薄层g-C3N4纳米片的电子转移电阻（从半圆形奈奎斯特图估计）与体积g-C3N4相比降低了75％，表明改善了这些纳米片的电荷传输和分离能力。这通过g-C3N4的光致发光（PL）光谱进一步证明，其中在剥离后观察到对应于光诱导的电子和空穴的较低复合速率的明显较弱的PL强度。在其他工作中，She 等人超声处理体积g-C3N4，其表面积约为3m2 g-1，在1,3-丁二醇中，得到的厚度为约3的薄层g-C3N4。 3-6个原子（约0.9-2.1nm）。增加的表面积32m2 g-1。类似地，EIS研究表明，剥离后，g-C3N4的电子转移电阻降低了60％。此外，瞬态光电流测量显示，在可见光照射下，薄层g-C3N4获得较高的光电流。这种组合光电化学分析表明在薄层g-C3N4纳米片中光诱导电荷载流子的转运和分离的改进。Kumar等也简单地通过在乙醇和水的混合溶剂中超声处理来源于三聚氰胺衍生的bulk-g-C3N4悬浮液来简单地制造中g-C3N4。该介孔g-C3N4的表面积约为112 m2 g-1，高于体积g-C3N4（约8 m2 g-1）。

除了在有机溶剂存在下的剥离方法之外，还可以使用酸或碱溶液将体积g-C3N4剥离成g-C3N4薄层。徐等[64]混合双氰胺衍生的g-C3N4与浓H2SO4在去离子水中并超声处理去角质。这种剥离过程确保H2SO4插入到块体g-C3N4的夹层中，成功地生成具有单一原子层（约0.4nm）的厚度的g-C3N4纳米片。这些g-C3N4纳米片比体积g-C3N4（约4m2 g-1）显示出更高的表面积（约206m2 g-1）。光电流和EIS测量揭示了这些单原子层g-C3N4纳米片中光生电荷载体的转运和分离的改善。Sano等人用NaOH溶液水热处理的三聚氰胺衍生的g-C3N4。所得到的g-C3N4的晶粒尺寸显着降低，同时形成介孔结构，表面积从约8〜65m2 g-1。

牛等人应用简单的热氧化蚀刻途径将双氰胺衍生体g-C3N4剥离成2 nm g-C3N4纳米片，表面积高达306 m2 g-1。电流-电压特性分析表明，跨越这些纳米片的面内方向的电子传递能力提高。时间分辨荧光衰变光谱显示光子电荷载体的寿命由于量子限制效应而增加。徐等首先将NH4Cl插入双氰胺衍生的g-C3N4的夹层中。然后通过热剥离工艺将所得到的g-C3N4基嵌入化合物（g-C3N4

全文共22693字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[143344]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章