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摘要本文对经碱性水热法改性的石墨相氮化碳（g-C3N4）和其增强的可见光催化氧化NO(~ 400 ppm)进行了评测。将多个g-C3N4样品放入不同浓度的 NaOH溶液中进行水热法改性。在 0.12 mol•L-1的 NaOH溶液中进行水热法改性的样品有最大的BET 比表面积，为合成的原始g-C3N4的两倍多，并且有最佳的光催化氧化 NO能力。根据表明 g-C3N4光催化氧化发生在光催化剂表面的实验、紫外-可见漫反射光谱（DRS）和光致发光光谱（PL） ，高度提升的光催化表现可归功于比表面积高和孔体积大，从而提供更多的吸附和活性位点；可见光吸收范围宽和禁带宽度窄，进而对可见光活化有利；以及光生电子和空穴复合速率减慢，可有助于活性物种的产生。通过荧光光谱实验和捕获实验，进一步分析了光催化氧化NO 的机理，结果表明在各活性物种中，超氧自由基（•O2-）对光催化氧化NO起主导作用。 32279
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毕业论文关键词: 可见光 g-C3N4 光催化氧化 NO 机理
Title Research on Graphitic Carbon Nitride (g-C3N4) Activated by the Alkaline Hydrothermal Treatment for Visible-light Photocatalytic Oxidation of NO Abstract In this paper, an enhanced visible-light photocatalytic oxidation (PCO) of NO (~ 400 ppm) in the presence of the graphitic carbon nitride (g-C3N4) treated by the alkaline hydrothermal treatment is evaluated. Various g-C3N4 samples were treated in different concentrations of NaOH solutions and the sample treated in 0.12 mol•L-1 of NaOH solution possesses a large BET specific surface area which is more than twice as much of that of the as-synthesized g-C3N4 as well as the optimal ability of the PCO of NO. From an experiment which reveals that the PCO with the g-C3N4 takes place on the surface of the photocatalyst, UV-vis diffuse reflection spectra (DRS) and photoluminescence (PL) spectra, the highly improved photocatalytic performance is ascribed to the large specific surface area and high pore volume, which provides more adsorption and active sites, the wide visible-light adsorption edge and the narrow band gap, which is favorable for visible-light activation, as well as the decreased recombination rate of photo-generated electrons and holes, which could contribute to the production of active species. Fluorescence spectra and a trapping experiment were conducted to further the mechanism analysis of the PCO of NO, illustrating that superoxide radicals (•O2-) play the dominant role among active species in the PCO of NO.
Keywords: visible-light g-C3N4 PCO NO mechanism
目录
1引言1
1.1研究背景1
1.2光催化剂的基本原理和活性相关因素2
1.3光催化剂的研究进展3
1.4本文的选题思路及主要研究内容4
2实验6
2.1实验材料6
2.2制备g-C3N4光催化剂7
2.3表征7
2.4光催化反应9
2.5羟基自由基检测10
3结果和讨论11
3.1结构和化学表征11
3.2增强的光催化氧化NO能力16
3.3光催化氧化NO机理分析23
结论27
创新点28
展望29
致谢30
参考文献31
附录38
1 引言
1.1 研究背景 催化剂能改变化学反应的速率，在化工行业中的作用无可替代。在反应中加入催化剂能够降低反应所需的活化能，使得化学反应更有效的进行。而催化剂本身只是一种触媒，反应前后自身基本不消耗，在化学反应过程中只改变反应速率，不影响化学平衡。按照反应机理，催化剂参与的反应可分为酸碱型催化反应和氧化还原型催化反应。酸碱型催化反应中的催化作用主要是通过质子转移来进行，如发生烷基化、异构化、裂解等，在化学工业中应用比较广泛；在氧化还原型催化反应中，催化剂与反应物之间先通过电子转移形成具有氧化性的活性物种，然后活性物种再将一些具有还原性质的物质氧化。整体而言，广泛使用的大多数催化剂为正反应催化剂，能加速热力学上允许发生反应，进而缩短化学反应达到平衡的时间，提高劳动生产率，节约资源，达到经济合理且环保的效果。例如，可以用 Pd/WOxZrO2 催化剂高效脱除环境污染物一氧化氮（NO）[1]。 由化石燃料高温燃烧产生的氮氧化物（NOx）可导致城市光化学烟雾、酸雨和臭氧空洞的产生，进而造成全球环境污染并对人类健康产生危害，这一问题已引起世界范围内的关注并成为环境治理的焦点[2,3]。在内燃机燃烧和固定锅炉生产所排放NOx中，NO 是首要组分[4]。NO 不仅与易燃物、有机物接触时可能着火燃烧，遇到氢气还容易化合并发生相当程度的爆炸，因而NO具有危险特性。虽然NO较不活泼，但在空气中易被氧化成二氧化氮（NO2） ，常会散发出呈棕黄色并带有酸性和氧化性的雾，具有强烈腐蚀性和毒性，可损害建筑物表面涂饰、植物叶片和人体呼吸道。很多技术已被开发出并用于减少 NO 的环境排放量，包括焚烧法[5]、湿法[6]、NO降解法[7]、选择性催化还原法（SCR）[1,8]和选择性非催化还原法（SNCR）[9]， 其相关信息汇于如表1.1 中。 这些方法大都会消耗大量的能源或依赖于额外添加的反应物，直接或间接地增加了经济和环境成本。而半导体光催化氧化 NO 可以由取之不竭的太阳光驱动反应的进行，有着经济合理以及环境友好等特点[10-12]。因此，该法为替代传统方法提供了理想的途径，在能源开发与环境保护领域有着广阔的应用前景。