高结晶度薄层石墨相氮化碳-铋系氧化物量子点复合材料的可控合成及其光催化性能研究

In this project the aim is to enhance the photocatalytic performance of the photocatalytic materials. Inorganic laminar compounds will be employed as a template for preparing high-crystallinity thin layer graphite carbon nitride (g-C3N4), on which bismuth (Bi) based oxide, such as Bi2WO6 quantum dots will grow through a hydrothermal/solvothermal route. Then the efficient and stable composite photocatalytic materials will be prepared by thin layer g-C3N4 and Bi based oxide quantum dots. The novel synthetic route of thin layer high-crystallinity g-C3N4 and thin layer g-C3N4-Bi based oxide quantum dots will be developed. The structure-property relationships, their modulation properties will be systematically studied. The mutual coupling mechanism, synergistic effect and the mechanism of visible light will be clarified. The photocatalytic mechanism will be discussed. The transformation and the dynamic characteristics of bisphenol A organic pollutants in photocatalytic reaction will be studied. The thermal stability and structural stability of the thin layer g-C3N4-Bi based oxide quantum dots composite materials will be investigated and summarized.

本课题以提高和改善材料光催化性能为导向，拟采用无机层状化合物为模板可控制备高结晶度的薄层石墨相氮化碳(g-C3N4)；并以高结晶度薄层g-C3N4为母体，通过水热/溶剂热法控制Bi2WO6等铋系氧化物量子点材料在其表面自组装生长，制备高效、稳定的高结晶度薄层g-C3N4-铋系氧化物复合光催化材料。建立合成高结晶度薄层g-C3N4、高结晶度薄层g-C3N4-铋系氧化物量子点复合材料的新方法。系统研究高结晶度薄层g-C3N4、高结晶度薄层g-C3N4-铋系氧化物量子点复合材料的结构-性能关系及其调变规律，阐明高结晶度薄层g-C3N4和铋系氧化物量子点材料之间的相互协同作用机理，尤其是彼此之间的协同可见光光催化效应及机制。探索复合材料的光催化机理，总结双酚A等酚类有机污染物在复合材料作用下光催化转化规律和动力学特性，归纳提高复合材料光催化活性和结构稳定化方法。

本项目以增强材料光催化降解有机污染物的性能为导向，设计合成了膨润土/g-C3N4、多孔g-C3N4、g-C3N4纳米片，进一步与铋系等金属氧化物半导体复合，制备了一系列高效、稳定的g-C3N4-金属氧化物纳米复合材料，如：g-C3N4/Bi2O3、g-C3N4/BiOI/BiOBr、g-C3N4/BiOI/BiOCl、AgI/BiOI/g-C3N4、CQDs/g-C3N4/BiOI、CQDs/g-C3N4/BiOBr、CQDs/g-C3N4/BiOCl、MoO3/g-C3N4、In2O3/g-C3N4、SnO2-x/g-C3N4、WO3-x/g-C3N4、MoO3-x/g-C3N4等。系统研究了材料的结构与光催化性能之间的构效关系，阐明了光催化机理。其中膨润土/g-C3N4（0.5）比表面积达61.63 m2/g，可见光下，降解亚甲基蓝（MB）的速率常数是体相g-C3N4的9.2倍，•O2-和h+是主要活性物种；酸化多孔g-C3N4在可见光下，30 min降解罗丹明B（RhB）达98%，80 min降解甲基橙（MO）达96%，活性增强源于材料高比表面积和表面荷正电；g-C3N4/MoO3 降解MB的速率常数是g-C3N4的4.2倍、MoO3的7.1倍。活性增强源于吸光性能提升和形成异质结结构；g-C3N4/BiOI/BiOCl可见光催化降解MO的速率常数是P25的36倍、BiOI/BiOCl的4倍，50 min降解4-硝基苯酚达75%，h+是主要的活性物种；3% CQDs/g-C3N4/BiOBr可见光下，24 min可完全降解RhB，60 min降解双酚A达92%，100 min降解四环素达87%，降解RhB的速率常数是g-C3N4的44倍、BiOBr的6.5倍。体系遵循Z型机制，主要活性物种是h+和•OH。高催化活性归因于异质结结构和CQDs协同抑制光生载流子的复合；SnO2-x/g-C3N4（0.5）在可见光下，15 min降解RHB达100%，100 min降解苯酚达90%以上。活性物种包括•OH、•O2-和h+，其中h+占主导作用。高催化活性归因于：氧缺陷提升了SnO2-x光生载流子的传输效率，异质结结构增强了材料界面处光生电子-空穴的分离效率。项目研究结果为深入理解光催化材料的构效关系和合理设计高效光催化材料提供了实验基础和理论依据。