纳米Au(Ag)及CQDs表面修饰提高C3N4光催化降解性能

Graphite phase carbon nitride (C3N4) exhibits visible light photocatalytic activity, but its light response range is narrow and photoinduced electron-hole pair is prone to recombination, which significantly inhibits the photocatalytic activity of C3N4. This project intends to design CQDs/Au(Ag)/C3N4 hybrid (CAC) for the sake of extending the visible light response range, promoting the separation of electron/hole pair, and thus improving the visible light photocatalytic performance of C3N4 through the synergistic effect of the localized surface plasmon resonance (LSPR) of Au(Ag) nanoparticles (NPs) and the electrical conductivity of Au(Ag) and CQDs. In addition, it is expected that the proposed CAC composite should also reveal enhanced near-infrared light photocatalytic activity based on the synergistic action of CQDs and Au(Ag). In this CAC hybrid, CQDs up-converts near-infrared light into visible light and excites Au(Ag) NPs and C3N4, respectively, while Au(Ag) NPs and CQDs act as electron transfer mediators that facilitate electron-hole separation. The rationale of enhanced photocatalytic activity of CAC composite will be revealed by the study of charge transfer and separation mechanism among the interfaces of CQDs, Au(Ag), and C3N4, and the electromagnetic field energy transfer mechanism between interfaces of Au(Ag) and C3N4. Meanwhile, the mechanism of enhanced photocatalytic activity of CAC under NIR will be elucidated by investigating the relationships between CQDs’ upconversion effect for NIR and photocatalytic activity of Au(Ag) and C3N4.

石墨相氮化碳(C3N4)具有可见光催化活性，但其可见光响应范围较窄及光生电子-空穴易于复合的缺点，抑制了其可见光催化活性。本项目拟设计CQDs/Au(Ag)/C3N4复合物(CAC)，通过纳米Au(Ag)的LSPR效应以及Au(Ag)和CQDs导电子性能的协同作用，扩展可见光响应范围，促进电子-空穴对分离，提高C3N4可见光催化活性。通过CQDs将(近)红外光转换为可见光，分别激发纳米Au(Ag)和C3N4，以及Au(Ag)和CQDs的导电子协同作用，提高电子-空穴的分离效率，增强CAC复合物(近)红外光催化活性。通过研究CQDs、Au(Ag)、C3N4界面电荷迁移和分离机制，及Au(Ag)与C3N4界面电磁场能量转移机制，揭示CBC复合物的可见光活性提高机理。通过CQDs对(近)红外光的上转换效应与Au(Ag)、C3N4光催化活性的关系研究，揭示CBC复合物的(近)红外光活性增强机理。

石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种可见光响应的廉价非金属有机聚合物半导体材料。但是其光吸收范围窄、光生电子空穴分离效率低的缺点制约了其在光催化方面的发展。碳量子点（CQDs）可以调节光催化材料可见光响应范围，光诱导CQDs即可作为电子供体，又可作为电子受体，能够有效提高半导体催化剂光生电子对分离效率。本项目通过纳米Au(Ag)的LSPR效应以及Au(Ag)和CQDs导电子性能的协同作用，扩展可见光响应范围，促进电子-空穴对分离，提高C3N4可见光催化活性。 研究内容包括C3N4等主催化剂的制备、表面修饰、助催化剂的选择、负载以及表征、光催化活性的测试等实验工作。项目执行期间，开展了以g-C3N4、TiO2为主催化剂，通过元素掺杂、异质结复合、助催化剂负载，成功制备出高活性、高稳定性的CQDs/SAPO-5/C3N4、NaYF4:Yb,Er@C3N4、g-C3N4/CdS、g-C3N4/Ag/TiO2、g-C3N4/Cu2O等系列复合催化剂，实现提高光催化剂的光生电子和空穴的迁移和俘获，最终实现在可见光及红外光下降解有机污染物。 基于CQDs的可见光吸收性质及优异的光电转化能力，合成了g-C3N4/SAPO-5/CQDs三元复合光催化剂。结果表明，当CQDs负载量为0.10%时，该三元材料表现出较强的可见光吸收和光生载流子的分离率，光催化活性最高。该材料在降解RhB的反应中表现出了良好的光催化稳定性。以合成的 g-C3N4纳米片和 Ag/TiO2空心微球为原料，采用机械搅拌的方法构筑了 g-C3N4/Ag/TiO2三元复合光催化剂。与TiO2相比，其可见光响应范围延长，光生载流子的分离速率加快。研究表明，光照 180 min 时，g-C3N4(0.5%)/Ag/TiO2显示了最高的光催化活性(91.9%)，分别是 TiO2和Ag/TiO2的7.5 和 1.8 倍。光催化活性的提高与合理的异质结构建和 Ag 的导电性能有关。执行期间研究结果为今后纳米异质结催化剂的设计和合成提供理论指导，同时有望在水处理和人工光合成制氢等领域获得重要应用。