摘 要

目前，由于环境的污染和能源枯竭日益成为人们关心的一个重要问题，为了解决以上问题，科学家正在致力于高效光催化剂的研究，以达到对太阳能的高效的转化和利用。通过光催化降解有机污染物和水分解制氢等课题逐渐成为人们关注的焦点。半导体光催化技术的发展将会对环境的污染和能源枯竭等问题的解决具有非常重要的意义。

本文分别选用钛酸四丁酯和三氯化钛作为前驱体，采用溶剂热法制备了TiO_2-x，在Ti⁴ 中掺入一定比例的Ti³ ， 然后将g-C₃N₄和TiO_2-x两种材料进行复合构建半导体异质结，从而提高光生电荷的分离效率。本论文采用傅里叶红外（FT-IR）、X 射线衍射（XRD）等表征方法对g-C₃N₄/TiO_2-x异质结光催化剂性能的结构进行了分析。通过对甲基蓝的光降解比较表明：当钛酸四丁酯与三氯化钛溶液分别以Ti⁴ 和Ti³ 摩尔比为4：1复合所制备出的样品的光催化效果最好，当TiO_2-x与g-C₃N₄按12:1复合后，其催化效果是TiO₂/g-C₃N₄相同比例下的1.6倍，表现出优异的光催化降解性能。

关键词：光催化 降解 异质结 g-C₃N₄ TiO_2-x

Preparation and Catalytic Performance of g-C₃N₄/TiO_2-x

Abstract

At present, the depletion of environmental pollution and energy has increasingly become an important problem. Thus, scientists are committed to the research of high efficient photocatalyst for achieving the efficient conversion and utilization of solar energy. Photocatalytic degradation of organic pollutants and water degradation of hydrogen have become the focus of attention, and the development of semiconductor photocatalysis technology will be one of great importance to the solution of environmental pollution and energy depletion.

In this paper, the tetrabutyl titanate and titanium trichloride was used as precursor, and a g-C₃N₄/TiO_2-x heterojunction was prepared by the convenient solvent-hot method for improving the separation of photogenerated chargers. Further, Fourier infrared (FTIR) and X-ray diffraction (XRD) et.al were characterize to discuss the chemical structure of g-C₃N₄/TiO_2-x. The degradation of Methyl blue performed that the high photocatalytic activity. The result show that the photodegraded constant of g-C₃N₄/TiO_2-x are 1.6 times higher than that of g-C₃N₄/TiO_2-x at the same ratio of g-C₃N₄ to TiO₂ with 1:12.

Key words: Photocatalytic; Degradation; heterojunction; g-C₃N₄; TiO_2-x

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 半导体光催化机理 1

1.3 g-C₃N₄的研究进展 2

1.3.1 g-C₃N₄的制备方法 2

1.3.2 g-C₃N₄的性质 2

1.3.3 g-C₃N₄在光催化方面的应用 3

1.4 TiO_2-x的研究进展 4

1.4.1 TiO_2-x的制备方法 4

1.4.2 TiO_2-x光催化剂的性质和表征 5

1.4.3 TiO_2-x光催化剂的应用 7

1.5 本课题研究的内容 7

第二章 实验部分 8

2.1 引言 8

2.2 实验试剂与仪器 8

2.2.1实验原料与试剂 8

2.2.2仪器设备 8

2.3 光催化剂的制备 9

2.3.1 g-C₃N₄的制备 9

2.3.2 TiO_2-x及g-C₃N_4/TiO_2-x复合光催化剂的制备 9

2.4 催化材料的表征 10

2.4.1 X射线衍射（XRD） 10

2.4.2 傅立叶红外光谱（FT-IR） 10

第三章 g-C₃N₄/Ti0₂-x复合光催化剂的表征结果与讨论 12

3.1 引言 12

3.2 g-C₃N₄/Ti0_2-x的表征与测试 12

3.2.1 XRD测试分析 12

3.2.2红外光谱分析 13

3.2.3 光催化降解性能测试 14

第四章 结论与展望 17

4.1 结论 17

4.2 展望 17

参考文献 18

致谢 20

第一章 文献综述

1.1 课题研究的背景和意义

目前，随着环境污染的日益严重和能源枯竭等问题的出现，这些环境和能源等问题引起了人们足够的重视，因此如何治理环境，寻找可替代的清洁能源成为了科学家研究的重要的课题。而太阳能毫无疑问是目前最理想的可替代的清洁能源, 为了解决上述问题，研究开发出高效的光催化剂成为科学家关注的焦点。通过光催化剂来实现对太阳能的高效转化和利用，从而改善目前的环境污染的现状达到治理环境的目的，近些年来光催化氧化技术引起了材料学和环境科学界专家们的广泛关注，并且对其展开了大量的研究工作。

随着科学家发现了二氧化钛可以将水分解制氢气的这种化学特性，这种可以将光能转化为化学能的光催化材料得到了科学家们的广泛关注。光催化技术作为解决当今能源和环境问题的一种有效途径，因此引起了科学家的非常大的研究兴趣。光催化技术的研究和发展将会对环境和能源等问题的解决具有非常重要的意义。由于氮化碳（g-C₃N₄）化学稳定性好，能带结构独特，因此被广泛应用于太阳能的光催化转化中去^[1]。g-C₃N₄的带隙为2.73 ev，由于其带隙比较窄所以它的可见光响应特性比较好。虽然g-C₃N₄的可见光响应性比较好，但是对于紫外光光响应性却不如TiO_2-x需要降低电子-空穴的复合。通过g-C₃N₄与TiO_2-x的复合来构造异质结可以克服它们各自在光催化领域中的缺点，构筑异质结结构能够促进光生电子空穴对的分离，因此可以同时提高光催化性能和光催化效率。光催化技术正在逐步的发展成一个独立的研究领域，并在制备清洁能源、处理污水、太阳能光伏电池等众多方面显示出了非常广阔的应用前景和巨大的经济效益^[2]。对改善我国面临的严峻的环境形势和提高经济效益有着关键的作用，同时对我国经济的长期稳定的发展也具有十分重要的意义。