通过rGO与g-C3N4的π-π堆积作用提高氮化碳光化学氧化能力

郝强 郝思濛 牛秀秀 李巽 陈代梅 丁浩

引用本文: 郝强,  郝思濛,  牛秀秀,  李巽,  陈代梅,  丁浩. 通过rGO与g-C3N4的π-π堆积作用提高氮化碳光化学氧化能力[J]. 催化学报, 2017, 38(2): 278-286. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62561-5 shu
Citation:  Qiang Hao,  Simeng Hao,  Xiuxiu Niu,  Xun Li,  Daimei Chen,  Hao Din. Enhanced photochemical oxidation ability of carbon nitride by π-π stacking interactions with graphene[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(2): 278-286. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62561-5 shu

通过rGO与g-C3N4的π-π堆积作用提高氮化碳光化学氧化能力

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21577132);国家高技术研究发展计划(863计划,2012AA062701);中央高校基本科研业务费(2652015225);2015中国地质大学(北京)大学生创新创业训练计划(201511415069)

摘要: 石墨相氮化碳(g-C3N4)具有较高的催化活性、良好的生物相容性、廉价易得、低毒性等特点,因而受到了广泛的关注.g-C3N4的禁带宽度为2.7 eV,可被可见光激发,相对于二氧化钛和氧化锌,它对可见光具有更高的太阳光利用率.尽管理论上g-C3N4是类似于石墨烯结构的二维材料,但通常情况下g-C3N4却是层层堆积起来的三维体相结构.从而导致了其比表面积降低,催化反应过程中与反应物接触面积小.同时又使光照下生成的载流子不能迅速传递到材料表面参与反应,大大降低了g-C3N4光生载流子的分离和传递效率.另外,作为一种可见光催化剂,g-C3N4的禁带宽度比一般的无机半导体光催化剂窄,仅能够吸收部分可见光.本文利用原位煅烧法制备了g-C3N4/rGO复合光催化剂,以罗丹明B和2,4-二氯酚为目标探针分子,考察了其可见光催化活性.这对于设计开发其他具有共轭大π键的光催化体系,具有一定的借鉴意义.
X射线衍射(XRD),傅里叶变换红外光谱(FTIR),X射线光电子能谱(XPS)和激光共聚焦拉曼光谱(Raman)结果表明,氧化石墨烯成功地被还原为石墨烯,并成功地引入到了g-C3N4中去.在三聚氰胺聚合的过程中,石墨烯被夹杂在氮化碳的片层中间,有利于形成π-π共轭作用.
复合光催化剂C3N4/rGO的带边发生明显的红移,在可见光区域内的吸收强度也有所增加,因而有利于其可见光催化活性的提高.通过外推法算得g-C3N4和C3N4/rGO-1复合光催化剂的带隙宽度分别为2.70和2.42 eV.为了更好地考察复合光催化剂C3N4/rGO的能带结构的变化,通过光电化学的手段对其进行进一步的研究.莫特-肖特基结果表明该半导体是n型.计算得出g-C3N4和C3N4/rGO复合光催化剂的平带电势分别为-1.12和-0.85 V对甘汞标准电极,C3N4/rGO复合光催化剂的平带电位发生明显的正移.由此分别确定g-C3N4和C3N4/rGO复合光催化剂的价带底则位于1.58和1.74 V对甘汞标准电极.相比g-C3N4,g-C3N4/rGO复合光催化剂的价带位置的降低意味着其具有更强光氧化的能力,且比表面积的增大也有利于光催化反应.结果发现,石墨烯与g-C3N4的比例为1%时,复合样品的光催化性能最佳,对罗丹明B和2,4-二氯酚的降解性能均有提高.

English

    1. [1] A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37-38.

    2. [2] J. G. Yu, G. P. Dai, Q. J. Xiang, M. Jaroniec, J. Mater. Chem., 2011, 21, 1049-1057.

    3. [3] A. L. Linsebigler, G. Q. Lu, J. T. Yates, Chem. Rev., 1995, 95, 735-758.

    4. [4] A. Wold, Chem. Mater., 1993, 5, 280-283.

    5. [5] D. M. Chen, H. L. Zhu, X. Wang, Appl. Surf. Sci., 2014, 319, 158-166.

    6. [6] H. N. Kim, T. W. Kim, I. Y. Kim, S. J. Hwang, Adv. Funct. Mater., 2011, 21, 3111-3118.

    7. [7] V. B. R. Boppana, R. F. Lobo, J. Catal., 2011, 281, 156-168.

    8. [8] Q. Li, B. D. Guo, J. G. Yu, J. R. Ran, B. H. Zhang, H. J. Yan, J. R. Gong, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 10878-10884.

    9. [9] Y. J. Cui, Chin. J. Catal., 2015, 36, 372-379.

    10. [10] Y. Zhang, D. A. J. M. Ligthart, P. Liu, L. Gao, T. M. W. G. M. Verhoeven, E. J. M. Hensen, Chin. J. Catal., 2014, 35, 1944-1954.

    11. [11] K. Maeda, M. Higashi, B. Siritanaratkul, R. Abe, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 12334-12337.

    12. [12] L. W. Zhang, T. G. Xu, X. Zhao, Y. F. Zhu, Appl. Catal. B., 2010, 98, 138-146.

    13. [13] Q. Li, X. Zhao, J. Yang, C. J. Jia, Z. Jin, W. L. Fan, Nanoscale, 2015, 7, 18971-18983

    14. [14] R. A. He, S. W. Cao, P. Zhou, J. G. Yu, Chin. J. Catal., 2014, 35, 989-1007.

    15. [15] J. Q. Wen, X. Li, W. Liu, Y. P. Fang, J. Xie, Y. H. Xu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2049-2070.

    16. [16] Y. Ohko, I. Ando, C. Niwa, T. Tatsuma, T. Yamamura, T. Nakashima, Y. Kubota, A. Fujishima, Environ. Sci. Technol., 2001, 35, 2365-2368.

    17. [17] K. Ding, D. Wang, P. Yang, X. Cheng, Mater. Res. Bull., 2016, 74, 311-318.

    18. [18] M. A. Behnajady, N. Modirshahla, R. Hamzavi, J. Hazard. Mater., 2006, 133, 226-232.

    19. [19] C. G. Tian, Q. Zhang, A. P. Wu, M. J. Jiang, Z. L. Liang, B. J. Jiang, H. G. Fu, Chem. Commun., 2012, 48, 2858-2860.

    20. [20] S. X. Liu, Z. P. Qu, X. W. Han, C. L. Sun, X. H. Bao, Chin. J. Catal., 2004, 25, 133-137.

    21. [21] J. Xu, Y. J. Wang, Y. F. Zhu, Langmuir, 2013, 29, 10566-10572.

    22. [22] X. C. Wang, X. F. Chen, A. Thomas, X. Z. Fu, M. Antonietti, Adv. Mater., 2009, 21, 1609-1612.

    23. [23] G. Liu, P. Niu, C. H. Sun, S. C. Smith, Z. G. Chen, G. Q. Lu, H. M. Cheng, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 11642-11648.

    24. [24] X. H. Li, J. S. Chen, X. C. Wang, J. H. Sun, M. Antonietti, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 8074-8077.

    25. [25] B. Zhang, T. H. Cui, Appl. Phys. Lett., 2011, 98, 231113/1-231113/3.

    26. [26] B. R. Singh, M. Shoeb, W. Khan, A. H. Naqvi, J. Alloy Compd., 2015, 651, 598-607.

    27. [27] J. L. Li, X. J. Liu, X. Hou, W. Qin, Z. Sun, L. K. Pan, J. Colloid Interface Sci., 2015, 458, 235-240.

    28. [28] H. Gu, T. S. Zhou, G. Y. Shi, Talanta, 2015, 132, 871-876.

    29. [29] Q. J. Xiang, J. G. Yu, M. Jaroniec, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 7355-7363.

    30. [30] A. K. Geim, K. S. Novoselov, Nat. Mater., 2007, 6, 183-191.

    31. [31] X. C. Wang, K. Maeda, A. Thomas, K. Takanabe, G. Xin, J. M. Carls-son, K. Domen, M. Antonietti, Nat. Mater., 2009, 8, 76-80.

    32. [32] W. S. Hummers Jr., R. E. Offeman, J. Am. Chem. Soc., 1958, 80, 1339-1339.

    33. [33] F. Dong, Y. J. Sun, L. W. Wu, M. Fu, Z. B. Wu, Catal. Sci. Technol., 2012, 2, 1332-1335.

    34. [34] J. Gao, Y. Zhou, Z. S. Li, S. C. Yan, N. Y. Wang, Z. G. Zou, Nanoscale, 2012, 4, 3687-3692.

    35. [35] Y. C. Zhao, D. L. Yu, H. W. Zhou, Y. J. Tian, O. Yanagisawa, J. Mater. Sci., 2005, 40, 2645-2647.

    36. [36] X. F. Li, J. Zhang, L. H. Shen, Y. M. Ma, W. W. Lei, Q. L. Cui, G. T. Zou, Appl. Phys. A, 2009, 94, 387-392.

    37. [37] L. Liu, D. Ma, H. Zheng, X. J. Li, M. J. Cheng, X. H. Bao, Microporous Mesoporous Mater., 2008, 110, 216-222.

    38. [38] L. Liu, H. J. Liu, Y. P. Zhao, Y. Q. Wang, Y. Q. Duan, G. D. Gao, M. Ge, W. Chen, Environ. Sci. Technol., 2008, 42, 2342-2348.

    39. [39] Y. B. Li, H. M. Zhang, P. R. Liu, D. Wang, Y. Li, H. J. Zhao, Small, 2013, 9, 3336-3344.

    40. [40] H. F. Yang, F. H. Li, C. S. Shan, D. X. Han, Q. X. Zhang, L. Niu, A. Ivaska, J. Mater. Chem., 2009, 19, 4632-4638.

    41. [41] Y. Sun, T. Xiong, Z. Ni, J. Liu, F. Dong, W. Zhang and W. K. Ho, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 356-362.

    42. [42] H. Liu, S. A. Cheng, M. Wu, H. J. Wu, J. Q. Zhang, W. Z. Li, C. N. Cao, J. Phys. Chem. A, 2000, 104, 7016-7020.

    43. [43] W. H. Leng, Z. Zhang, J. Q. Zhang, C. N. Cao, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 15008-15023.

    44. [44] H. Park, W. Choi, J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 3885-3890.

    45. [45] Y. S. Xu, W. D. Zhang, ChemCatChem, 2013, 5, 2343-2351.

    46. [46] T. Hirakawa, Y. Nosaka, Langmuir, 2002, 18, 3247-3254.

    47. [47] M. R. Hoffmann, S. T. Martin, W. Y. Choi, D. W. Bahnemann, Chem. Rev., 1995, 95, 69-96.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  16
  • 文章访问数:  1708
  • HTML全文浏览量:  518
文章相关
  • 发布日期:  2017-03-02
  • 收稿日期:  2016-08-20
  • 修回日期:  2016-09-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章