王 鵬李 昭,2周穎梅徐 艷朱 捷王士凡蔡可迎 李 靖 堵錫華 楊朋舉

(1徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，徐州 221018)

(2中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，徐州 221116)

(3福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，能源與環(huán)境光催化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350116)

0 引 言

光催化技術(shù)是一項能夠緩解能源短缺和改善環(huán)境污染問題的前沿技術(shù)。設(shè)計研制具有可見光響應(yīng)、量子效率高、穩(wěn)定性好的光催化劑是當(dāng)前光催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來，以石墨相氮化碳(g-C3N4)為代表的聚合物半導(dǎo)體，由于其能帶、光吸收及物化性質(zhì)等易調(diào)控，已經(jīng)成為光催化領(lǐng)域、特別是光催化材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1-3］。

g-C3N4具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性，廉價易得，環(huán)境友好，且具有獨(dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu)。g-C3N4導(dǎo)帶位置和價帶值分別是-0.89和1.81 V［4-5］，從熱力學(xué)上觀察，其能帶結(jié)構(gòu)可應(yīng) 用于光解水［6］、CO2還原反應(yīng)［7］、氧還原反應(yīng)［8］、選擇性有機(jī)合成［9］、污染物降解［10］等領(lǐng)域。然而，體相g-C3N4通常具有較小的比表面積和較低的可見光利用率，且激子結(jié)合能高和光生載流子難以分離，因而光催化效率較低，仍不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求，故必須對其進(jìn)行改性。多壁碳納米管具有獨(dú)特的管腔結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的限域效應(yīng)，被作為載體廣泛應(yīng)用于金屬催化領(lǐng)域［11］。它還具有優(yōu)異的電子效應(yīng)，能夠接受、轉(zhuǎn)移及儲存電子，能夠延遲及阻礙g-C3N4內(nèi)光生電子-空穴的復(fù)合［12］。除此之外，CNT還具有較大的比表面積可適當(dāng)調(diào)控g-C3N4的形貌及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［13］，以獲得更多的光催化活性位點(diǎn)。

本文采用CNT與g-C3N4進(jìn)行復(fù)合，借助CNT與g-C3N4的間的協(xié)同作用，優(yōu)化光催化劑的電子能帶結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)可見光吸收，提高電子轉(zhuǎn)移能力。以尿素為前驅(qū)體制備出一系列CNT/g-C3N4催化劑。并以RhB水溶液模擬廢水，系統(tǒng)考察了不同CNT含量對催化劑在可見光下催化降解性能的影響。 并通過 XRD，SEM，F(xiàn)T-IR，N2吸附-脫附，XPS，UV-Vis-NIR Spectrophotometer，PL 等表征，深入探討了CNT復(fù)合對g-C3N4的形貌結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響，并分析其降解機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

尿素，無水乙醇，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；RhB，分析純，天津市化學(xué)試劑研究所；CNT，分析純，中國科學(xué)院成都有機(jī)所。

X射線粉末衍射儀(XRD，UltimaⅣ型)日本理學(xué)公司，Cu Kα靶，波長為0.154 06 nm，工作電壓為40 kV，工作電流為 40 mA，掃描范圍為 5°～85°，掃描速度為10°·min-1；紫外-可見-近紅外分光光度計(UV-Vis-NIR Spectrophotometer，Lambda 750 型)，美國 PE 公司；熒光光譜儀(PL，Hitachi F-2700型)，日本日立公司，激發(fā)波長為380 nm；傅里葉紅外光譜儀(FT-IR，ALPHA型)，德國布魯克公司；掃描電鏡(SEM，Apreo型)，捷克 FEI公司，在 600或 1 kV 下操作拍攝；透射電鏡(TEM，JEM-2100F)，日本 JEOL公司，在200 kV下操作，晶格分辨率0.14 nm；物理吸附儀(Tristar 3000型)，美國Micromeritics公司，77 K N2吸附；X射線光電子能譜儀(XPS，AXISULTRA DLD 型)， 日本島津公司，Al Kα 射線(hν=1 486.6 eV)；光化學(xué)反應(yīng)儀(YM-GHX-Ⅶ)，上海豫明儀器有限公司；超聲波清洗器(KQ-250DB)，昆山市超聲儀器有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S)，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；管式爐(OTF-1200X-80)，合肥科晶材料技術(shù)有限公司；臺式高速離心機(jī)(TG16MW)，湖南赫西儀器裝備有限公司。

1.2 催化劑制備

1.2.1 g-C3N4的制備

采用一步熱縮合法制備g-C3N4光催化劑。以尿素為原料，稱取20 g尿素至瑪瑙研缽中研磨至均勻后裝入40 mL的小坩堝內(nèi)，再將小坩堝放置于瓷方舟上，放入管式爐中，通N2。以5℃·min-1升溫速率升溫到550℃后，保溫3 h，最后在N2氣氛下冷卻至室溫，得到的淺黃色固體，即為g-C3N4。稱量所得產(chǎn)物約為1 g(產(chǎn)率為5%)。所得樣品記為CN。

1.2.2 CNT預(yù)處理

與直接使用CNT不進(jìn)行預(yù)處理［14］或?qū)NT置于水熱釜中簡單處理使其表面官能團(tuán)化不同［13,15］，本文采取的處理方法如下：將CNT置于盛有濃HNO3(68%(w/w))的三口燒瓶內(nèi)，在140℃條件下回流14 h對CNT進(jìn)行純化、切割，使CNT開口及引入表面官能團(tuán)。接著將混合液用去離子水進(jìn)行過濾及洗滌，直至pH值為7，然后放入烘箱中于60℃干燥10 h，研磨為粉末。這種開放體系下的充分回流使得CNT不僅表面富含羥基、羧基官能團(tuán)，同時HNO3中的氮使得CNT微量氮摻雜［16-17］。此外，還使CNT被有效切割，具有較多缺陷位。

1.2.3 g-C3N4與CNT復(fù)合催化劑的制備

稱取20 g尿素與適量處理后的CNT，將兩者混合放入燒杯中加入50 mL水使尿素完全溶解。再將其置于超聲儀中，超聲1 h使CNT完全分散。超聲后將燒杯放入油浴鍋內(nèi)，設(shè)置溫度為100℃，使其緩慢蒸干水分。之后，產(chǎn)品在烘箱中于60℃下干燥24 h，最后在N2氛圍下焙燒。焙燒條件與上述制備g-C3N4保持一致。得到一系列CNT/g-C3N4光催化劑。將CNT在催化劑中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.05%，0.1%、0.3%和0.5%的催化劑樣品分別記為CN-CNT0.05，CN-CNT0.1，CN-CNT0.3，CN-CNT0.5。 其 顏 色 隨 著CNT含量的增加，逐漸加深至灰色。

1.3 光催化性能測試

選取RhB作為光催化降解反應(yīng)的目標(biāo)污染物。具體步驟如下：首先稱取0.03 g催化劑樣品于試管中，加入50 mL濃度為10μg·mL-1的RhB溶液。加入磁子攪拌使催化劑均勻分散在RhB溶液中。以氙燈作為光源，480 W功率，電壓、電流分別為80 V、6 A。在循環(huán)水中加入亞硝酸鈉溶液使得只有可見光作為入射光。光照前需要避光攪拌1 h，使光催化劑充分分散于RhB溶液中，以達(dá)到吸附平衡。實(shí)驗(yàn)過程中，光照每隔1 h取一次樣，每次取4 mL，放入8 000 r·min-1的高速離心機(jī)中離心得澄清液體。在紫外可見分光光度計上測定RhB的吸光度，取定波長λ=553 nm。以最初配置的10μg·mL-1的RhB溶液為原液，分別配置 2、4、6、8、10 μg·mL-1的 RhB 溶液。測定吸光度，得到關(guān)于濃度與吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。 以 10 μg·mL-1為初始濃度，記為 C0′，暗反應(yīng)后的初始濃度為C0，不同時間段測得的濃度記為Ct。以Ct/C0′作為RhB的光降解率。以Ct/C0′為縱坐標(biāo)，反應(yīng)時間為橫坐標(biāo)，得到樣品對RhB的降解反應(yīng)活性圖，從而對樣品的光催化性能進(jìn)行分析。動力學(xué)曲線擬合時取暗反應(yīng)后的濃度為初始濃度C0，即可擬合得到過原點(diǎn)的動力學(xué)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的形貌分析

圖1 g-C3N4與CNT改性g-C3N4樣品的SEM表征Fig.1 SEM images of the bulk and CNT modified g-C3N4 samples

為了研究所制備樣品的形貌特征，采用掃描電子顯微鏡對其進(jìn)行表征。由圖1(a，b)可知，g-C3N4具有典型的石墨層狀結(jié)構(gòu)，由許多帶有褶皺的銀耳狀塊體相互堆疊而成，其塊體的大小約為幾微米至幾十微米不等。摻雜0.1%的CNT使g-C3N4的團(tuán)聚現(xiàn)象有所加強(qiáng)，如圖1d所示，銀耳狀塊體間空隙變小，彼此連接緊密。而與CN-CNT0.1樣品相比，0.5%CNT的摻雜在一定程度上又增強(qiáng)了樣品的分散性，如圖1(e，f)所示，其片狀結(jié)構(gòu)明顯增多，彼此間隙變大?？梢奀NT的添加量對體相g-C3N4的形貌特點(diǎn)產(chǎn)生影響，并有可能改變其織構(gòu)參數(shù)。

由于SEM表征未能發(fā)現(xiàn)樣品中的CNT，為了證明CNT的存在，對CN-CNT0.5樣品進(jìn)行了TEM表征。如圖2所示，CNT高分散于g-C3N4內(nèi)部，且無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，CNT兩端開口，內(nèi)徑小于8 nm，且管長為0.5～2μm，這主要?dú)w因于采用濃硝酸預(yù)處理，將CNT有效切割，說明該方法可有效制備CNT與g-C3N4復(fù)合催化劑,易實(shí)現(xiàn)CNT和g-C3N4的均勻復(fù)合。

圖2 CN-CNT0.5樣品的TEM圖Fig.2 TEM images of the CN-CNT0.5 sample

2.2 催化劑的結(jié)構(gòu)與組成分析

體相g-C3N4與系列CNT/g-C3N4復(fù)合催化劑的XRD圖如圖3所示。其中27.5°的衍射峰強(qiáng)度最高，為共軛芳香物層間堆積特征峰，對應(yīng)g-C3N4的(002)晶面。13.0°處的衍射峰代表的是平面層的七嗪結(jié)構(gòu)單元，對應(yīng)的是 g-C3N4的(100)晶面［18-19］。 可發(fā)現(xiàn)隨CNT含量的降低，復(fù)合樣品中g(shù)-C3N4衍射峰的強(qiáng)度不斷減弱。碳的加入會調(diào)控氮化碳的聚合過程，而0.1%的添加量對氮化碳的生長調(diào)控最為明顯，其(002)晶面的衍射峰最弱，說明其氮化碳的尺寸較小。而當(dāng)碳的添加量增加，納米管很可能存在一定的團(tuán)聚，而這樣的團(tuán)聚體可能會作為氮化碳聚合的位點(diǎn)(可能起到模板作用)從而促進(jìn)其生長。圖中10°附近的衍射峰很可能是由插層效應(yīng)引發(fā)的，隨著CNT復(fù)合量的增多，該峰強(qiáng)度逐漸升高。且圖中樣品并未發(fā)現(xiàn)CNT的特征衍射峰，說明CNT分散于g-C3N4內(nèi)，與SEM表征結(jié)果一致。

圖3 g-C3N4與CNT/g-C3N4系列光催化劑的XRD圖Fig.3 XRD patterns of the g-C3N4 and CNT/g-C3N4 photocatalysts

g-C3N4與CNT/g-C3N4復(fù)合催化劑的紅外譜圖如圖4所示，復(fù)合樣品所有吸收峰與g-C3N4樣品的FT-IR光譜特征峰幾乎完全相同，說明催化劑制備過程中CNT的復(fù)合并沒有改變g-C3N4的成鍵結(jié)構(gòu)，所有樣品具有相似的化學(xué)組成。圖中吸收峰主要集中在3個區(qū)域：3 000～3 500 cm-1處的寬吸收峰對應(yīng)的是N-H的伸縮振，且復(fù)合之后出現(xiàn)寬化，說明復(fù)合體系存在氫鍵。1537，1462，1 408，1 318 和 1 238 cm-1處的吸收峰源于典型的CN雜環(huán)伸縮振動模式；810 cm-1處尖銳的吸收峰，主要是由于三嗪環(huán)狀化合物的彎曲震動吸收所引起的［20-21］。

XPS常用于分析催化劑表面元素組成及價態(tài)變化。圖5為CN及CN-CNT0.1樣品中的C1s和N1s等元素XPS譜圖。如圖5a所示，2個樣品的C1s XPS譜圖的2個主要特征峰分別位于283.5 eV和287.1，283.5 eV分別代表外來碳、石墨碳(C-C/C=C鍵)，287.1 eV處的峰歸屬于嗪環(huán)中sp2雜化的碳(NC=N鍵)，而292.7 eV歸屬于嗪環(huán)內(nèi)的π電子離域效應(yīng)［22-23］。 通過 XPS分析軟件 Thermo Avantage分峰計算發(fā)現(xiàn)，在CN樣品中283.5 eV處峰面積與287.1 eV處峰面積比值為0.85，而在CN-CNT0.1樣品中二者比值高達(dá)1.84。CNT內(nèi)以C-C/C=C鍵為主，與氮化碳復(fù)合后樣品內(nèi)石墨碳比例大幅提升，說明CNT有效復(fù)合于體相g-C3N4內(nèi)，即微量CNT的加入改變了復(fù)合催化劑表面碳物種的分布。在N1s XPS譜圖中(圖5b)1個主峰可分為3個特征峰，位于397.5，398.3，400.0 eV，分別歸屬于sp2雜化的N原子C=N-C，連接環(huán)狀結(jié)構(gòu)的N原子N-(C)3及氨基中的 N 原子-NH 或-NH2［14,24］。 由圖可知，CNT 的加入也改變了復(fù)合樣品表面氮物種的分布比例。

2.3 催化劑織構(gòu)特點(diǎn)、能帶結(jié)構(gòu)及光生電荷性質(zhì)

催化劑詳細(xì)的織構(gòu)信息表明0.1%CNT加入使體相g-C3N4的比表面積下降，孔容亦減小(表1)。說明微量CNT的加入造成氮化碳輕微團(tuán)聚。而隨著加入CNT量的提升，樣品的比表面積又有所回升，孔容也進(jìn)一步擴(kuò)大，結(jié)合SEM表征，可推斷CNT含量的增多有利于g-C3N4的剝離，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)發(fā)生改變。

為了研究光催化劑樣品的光學(xué)性質(zhì)，在室溫下采用紫外-可見-近紅外分光光度計和PL熒光光譜儀對所有樣品進(jìn)行檢測。樣品對可見光的響應(yīng)吸收以及根據(jù)其轉(zhuǎn)換得到的能帶間隙是光催化劑特性的重要參數(shù)。

圖6為所制備樣品的UV-Vis漫反射譜圖。N2中焙燒所得的CN樣品于452 nm附近出現(xiàn)了明顯的吸收邊，0.1%CNT的添加使吸收邊發(fā)生“紅移”至465 nm，而隨著CNT添加量的提高，0.3%和0.5%CNT的添加使光催化劑在460～800 nm區(qū)間內(nèi)對可見光的吸收增強(qiáng)。吸收強(qiáng)度的增強(qiáng)歸因于CNT的加入降低了光線的反射，且CNT良好的導(dǎo)電性加速了電子的轉(zhuǎn)移［24］。 由半導(dǎo)體禁帶求導(dǎo)公式：αhν=A(hν-Eg)2以 hν為橫坐標(biāo)，以(αhν)1/2為縱坐標(biāo)作圖。其中 α為光學(xué)吸收系數(shù)，hν為光子能量，A為比例常數(shù)，Eg為帶隙。對該圖做切線得到樣品的禁帶寬度Eg(圖7)。CN的禁帶寬度為2.78 eV，CNT的復(fù)合降低了其帶隙能，提高了可見光的利用率，其中CN-CNT0.1的禁帶寬度最低為2.74 eV。綜上所述CNT/g-C3N4復(fù)合光催化劑與體相g-C3N4相比，其對可見光的吸收性能顯著增強(qiáng)，利用率有所提高，可能有助于g-C3N4光催化活性的提升。

表1 CN和CN-CNT系列催化劑的織構(gòu)參數(shù)Table 1 Textural properties of the CNand CN-CNT catalysts

圖5 CN和CN-CNT0.1樣品的XPS譜圖：(a)C1s及(b)N1sFig.5 XPSspectra of the C1s(a)and N1s(b)of the CN and CN-CNT0.1 samples

圖6 g-C3N4和CNT/g-C3N4系列光催化劑的UV-Vis漫反射譜圖Fig.6 UV-Vis diffuse reflection spectra of g-C3N4 and CNT/g-C3N4 photocatalysts

圖7 g-C3N4和CNT/g-C3N4系列光催化劑的能帶間隙圖Fig.7 Energy bandgap spectra of g-C3N4 and CNT/g-C3N4 samples

PL光譜用于測定g-C3N4和CNT/g-C3N4光催化劑樣品中光生電子-空穴對的復(fù)合程度。圖8為激發(fā)波長為380 nm下所測熒光發(fā)射光譜圖。通常來說，樣品發(fā)射峰的強(qiáng)度越低，表明該樣品內(nèi)光激發(fā)電子-空穴對的復(fù)合率就越?。?5-27］。由圖可知，CN樣品在450 nm附近有很強(qiáng)的熒光發(fā)射峰，而CN-CNT樣品的熒光光譜發(fā)生明顯的猝滅現(xiàn)象，并且隨著CNT含量的降低，其PL信號強(qiáng)度逐漸減弱。其中，CNCNT0.1發(fā)射峰的強(qiáng)度最低，且發(fā)生偏移。偏移可能是由于微量CNT的引入提升了氮化碳的π電子體系，形成了更大的π鍵所致。結(jié)果表明，隨著CNT的加入，CNT/g-C3N4催化劑內(nèi)更多的光生電子可被迅速轉(zhuǎn)移，CNT的復(fù)合可有效阻止光生載流子的復(fù)合，且發(fā)現(xiàn)CNT含量不宜過高，CN-CNT0.1的效果最佳。

圖8 g-C3N4和CNT/g-C3N4系列光催化劑的PL發(fā)射譜圖Fig.8 PL emission spectra of g-C3N4 and CNT/g-C3N4 photocatalysts

2.4 光催化降解性能分析及機(jī)理探究

圖9 為光催化劑隨光照時間變化降解RhB的活性曲線。如圖所示，暗吸附階段CN-CNT0.1吸附能力欠佳與其較小比表面相關(guān)，而在可見光下CNCNT0.1的催化活性明顯優(yōu)于CN，隨著CNT含量的增加，催化劑的光催化性能逐漸減弱。當(dāng)CNT含量達(dá)到0.5%時，其光催化性能與CN相比已無明顯差別。將CNT含量降低至0.05%時，發(fā)現(xiàn)其催化性能與CN-CNT0.1相似，反應(yīng)速率略小，說明0.1%的CNT添加量是最佳值。CN-CNT0.1樣品較高的光催化降解性能與其微觀形貌、能帶結(jié)構(gòu)及可見光吸收能力和光生載流子分離效率相吻合。微量CNT的加入，會使CNT/g-C3N4樣品輕微團(tuán)聚、二者緊密接觸，彼此間具有更好的協(xié)同作用，更有利于光生電子的轉(zhuǎn)移。

圖9 g-C3N4和CNT/g-C3N4系列催化劑在可見光下的催化性能評價Fig.9 Photocatalytic performances of g-C3N4 and CNT/g-C3N4 catalysts under visible light irradiation

g-C3N4和CNT/g-C3N4樣品降解RhB的反應(yīng)過程符合準(zhǔn)一級動力學(xué)模型。圖10為降解RhB的一級反應(yīng)動力學(xué)曲線圖。其直線的斜率即為速率常數(shù)k。 由 圖 可 知 ，CN、CN-CNT0.5、CN-CNT0.3、CNCNT0.05 和 CN-CNT0.1 分別為 0.13、0.12、0.24、0.34和0.40 h-1。其中CN-CNT0.1樣品具有最大的反應(yīng)速率，其速率常數(shù)是g-C3N4的3.1倍。對CN-CNT0.1樣品進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)(圖11)，發(fā)現(xiàn)催化劑重復(fù)利用過程中并無明顯失活現(xiàn)象，說明復(fù)合催化劑具有較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

圖10 g-C3N4和CNT/g-C3N4系列催化劑降解RhB的一級反應(yīng)動力學(xué)曲線Fig.10 First-order kinetics curves of RhB degradation forg-C3N4 and CNT/g-C3N4 catalysts

圖11 CN-CNT0.1催化劑重復(fù)性實(shí)驗(yàn)Fig.11 Reusability of CN-CNT0.1 catalyst

圖12 不同犧牲劑對CN-CNT0.3樣品在可見光下催化降解RhB的影響Fig.12 Influence of various scavengers on the visiblelight photocatalytic activity of CN-CNT0.3 for the degradation of RhB

為探究反應(yīng)機(jī)理，在CN-CNT0.3樣品催化降解RhB反應(yīng)體系中，分別加入對苯醌(BQ)、乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na)及叔丁醇(t-BuOH)，三者可相應(yīng)捕獲反應(yīng)過程中產(chǎn)生的超氧自由基(·O2-)、空穴(h+VB)和羥基自由基(·OH)［28］。 由圖 12 可知，于 CN-CNT0.3 反應(yīng)體系中加入BQ后，其降解率急劇下降，幾乎不進(jìn)行光降解，BQ的加入抑制了催化降解過程；而于該體系下加入EDTA-2Na后，其降解曲線幾乎不變，EDTA-2Na的加入并未對降解過程帶來影響。因此推測，·O2-為該反應(yīng)體系的主要活性物種，而h+VB并不是此體系主要的活性物種。t-BuOH的加入?yún)s使得降解速率大幅提升，說明反應(yīng)體系內(nèi)存在·OH物種，對它的捕獲給降解過程帶來變化?！H是一種活性物種，無論是在吸附相還是在溶液相都能引起物質(zhì)的化學(xué)氧化反應(yīng)，然而g-C3N4的價帶電位低于·OH/OH-的氧化還原電位，價帶h+VB不能將OH-氧化為·OH，但是氮化碳的導(dǎo)帶位置很高，熱力學(xué)上滿足O2還原路徑產(chǎn)生羥基自由基。具體過程如下：e-cb+O2(ads)→·O2-，·O2-+H+→·HO2，2·HO2→O2+H2O2，H2O2+·O2-→·OH+OH-+O2。而·OH的捕獲使質(zhì)子化反應(yīng)向右移動，促進(jìn)了第一步電子還原氧氣反應(yīng)，使體系內(nèi)生成更多的·O2-，進(jìn)而促使反應(yīng)速率大幅提升。

由此推測，在光降解反應(yīng)過程中，光化學(xué)反應(yīng)儀內(nèi)的風(fēng)扇鼓風(fēng)及反應(yīng)管中的磁子攪拌，使空氣與液面充分接觸，為反應(yīng)體系提供了充足的氧氣氛圍。催化劑經(jīng)可見光照射，產(chǎn)生電子-空穴對，CNT的引入提升了光生載流子的分離效率，大量光生電子可經(jīng)CNT與氧氣反應(yīng)，將氧氣還原為超氧自由基，進(jìn)而將RhB氧化降解，使復(fù)合催化劑光降解性能大幅提升。機(jī)理示意圖如圖13所示。

圖13 可見光下CNT/g-C3N4催化體系降解RhB過程中光生載流子分離與轉(zhuǎn)移路徑Fig.13 Schematic of photo-generated charge carrier′s separation and transfer in the CNT/g-C3N4 system for degradation of RhB under visible light irradiation

3 結(jié) 論

以尿素為前驅(qū)體，復(fù)合不同質(zhì)量的CNT，制備出一系列不同CNT含量的CNT/g-C3N4催化劑。通過系列表征，明確光催化劑的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。結(jié)果表明，CNT的復(fù)合可有效增強(qiáng)g-C3N4對可見光的吸收性能，降低其帶隙能，提高其對可見光的利用率。CNT與g-C3N4存在協(xié)同作用，催化劑中CNT能有效轉(zhuǎn)移光生電子，提升光生電子-空穴對的分離效率，可使更多的光生電子與氧氣反應(yīng)，所生成的超氧自由基為此降解過程的主要活性物種。微量CNT的復(fù)合利于催化活性的提升，其中CN-CNT0.1的催化活性最高，其在可見光下的降解速率是g-C3N4的3.1倍。