摘 要

室温下通过原位生长制备g-C₃N₄/CdS复合光催化剂。通过电镜可以观察到CdS纳米颗粒均匀的附着于g-C₃N₄纳米片表面，XRD分析也进一步的证实g-C₃N₄与CdS共存于复合光催化剂中。光催化降解实验结果表明，相对于单组分g-C₃N₄与CdS，g-C₃N₄/CdS复合光催化剂可见光下对甲基橙的降解速率得到明显的提升。该催化活性的增强归因于g-C₃N₄与CdS之间存在着协同效应，可以有效地降低光生电子-空穴对的复合几率，并提高电荷分离效率，从而导致催化活性提高。尤其在g-C₃N₄与CdS的质量比为2.5: 1时，复合光催化剂表现出最佳的光催化效率，9 min内降解率达到91.31 %。

关键词：g-C₃N₄; CdS; 光催化活性

ABSTRACT

A straightforward strategy is designed to fabricate g-C₃N₄/CdS composite catalyst via the an in-situ heterogeneous nucleation and growth in the solutions at room temperature. The microscopic observation shows that CdS nanoparticles are randomly distributed on the surface of graphitic carbon nitride (g-C₃N₄), and X-ray diffraction (XRD) measurements further confirm that g-C3N4 and CdS coexist in the photocatalysts. The results of photocatalytic experiments demonstrate that the g-C₃N₄/CdS composite exhibits significantly enhanced photocatalytic activity for the photocatalytic degradation of methylene orange (MO) compared with g-C₃N₄ or CdS alone under visible-light irradiation. The enhanced photocatalytic activity of the g-C₃N₄/CdS composite can be attributed to the synergistic effects between g-C₃N₄ and CdS, which can readily reduce the recombination probability of photogenerated electron-hole pairs and enhance the charge separation efficiency, leading to the higher photocatalytic performance. The results also show that among the catalysts with differing CdS content, the g-C₃N₄/CdS composite with a g-C₃N₄/CdS mass ratio of 2.5:1 exhibits the highest photodegradation efficiency (91.31%) after irradiation for 9 min.

Key Words: g-C₃N₄; CdS; Photocatalytic activity

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 i

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2半导体材料光催化原理 1

1.3影响半导体光催化活性的因素 2

1.3.1晶体结构 2

1.3.2形貌结构 3

1.3.3能带结构 3

1.4 CdS光催化剂的制备方法 3

1.4.1 溶液法合成CdS半导体材料 4

1.4.2水热合成法 4

1.4.3溶剂热合成方法 5

1.4.4模板法和无模板法 6

1.5本论文的选题意义和研究内容 8

1.5.1选题意义 8

1.5.2课题研究内容 8

第二章 g-C₃N₄/CdS复合催化剂的制备 10

2.1 引言 10

2.2实验试剂和仪器 11

2.3制备薄层g-C₃N₄粉体 11

第三章 g-C₃N₄ /CdS异质结构纳米晶结构及催化性能的表征 13

3.1物相与结构测试 13

3.2紫外漫反射光谱 14

3.3光催化性能表征 15

参考文献 17

致谢 22

第一章 绪论

1.1研究背景

现代社会，工业化和快速的城市化发展导致了全球能源资源短缺。大量的有害化学污染正在被释放到我们周围的环境中。毋庸置疑，我们迫切的需要找到一个新的绿色环境技术来解决上述的能源问题和环境危机，为此已经付出了巨大的努力去发展先进的科学和技术类型来生产可持续的清洁能源^[1-3]。太阳能是极其丰富的清洁能源之一，如能够将太阳能高效率地转化为化学能，则可以缓解能源资源的短缺问题^[4]。在众多的技术中，半导体光催化技术是被广泛研究和使用的生产太阳能燃料的技术之一。一方面，半导体光催化技术可以利用太阳能产生大量有价值的化学燃料，例如光催化分解水生产氢气和从二氧化碳中还原碳氢化合物。另一方面，该项技术也可以通过光催化降解各种有毒有害化学污染物来净化环境^[5]。

自Fujishima和Hond报道了在TiO₂电极上光电催化分解水的开创性工作以来^[6]，各种各样的半导体光催化剂都得到了广泛的研究和发展，例如氧化物，硫化物和氮氧化物等 ^[7-9]。原则上，半导体光催化技术涉及以下几个主要部分：吸收光子激发光生电荷载体，体积扩散和光生电子的表面反应^[10]。其中最大的困难是如何最大的提高光催化材料的效率，提高激发光的吸收效率和减少光生载流子的复合，而这取决于光催化材料的性质，如带隙宽度和晶体结构。通常，半导体的带隙较宽（E_bg gt; 3.0 eV）时，只有紫外光可以被光催化材料所吸收和利用，例如二氧化钛这种传统半导体，其作为光催化剂，具有3.2 eV的宽带隙，因此波长小于387 nm的紫外光能被它吸收，约占全部太阳能的3％-5％。所以，在光照下二氧化钛的光催化效率是严重受限的^[11-13]。相对的，如果半导体的带隙较窄（E_bg lt; 3.0 eV），则它可以吸收绝大多数可见光^[14]。众所周知，金属硫化物具有合适的导带位置和较窄的带隙（E_bg lt; 3.0 eV），因此它是一种对可见光响应良好的光催化材料^[15]。

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