科研之友
微信
新浪微博
Facebook
分享链接
摘要
石墨相的氮化碳(g-C3N4)已被广泛用于光催化、水分解、光子检测器、电池、以及光电阴极.与其他光催化材料相比,g-C3N4具有价格低廉,易制备,无毒无污染等优点.此外,C3N4具有适宜的带隙(2.7 eV),能有效地吸收可见光.有关C3N4的光催化研究很多,但是其降解效率受限于电子空穴对的快速复合.因此,为了提高C3N4光催化反应效率,需要对其进行改性.磁铁矿(Fe3O4)广泛用于光催化和芬顿/光-芬顿反应.Fe3O4晶体具有反式尖晶石结构,其中Fe2+和Fe3+同时存在.研究表明,磁铁矿在酸性条件下催化效果显著,然而,它的比表面积小,随着反应时间的推移,铁离子会溶出,不利于有机物降解反应.因此,近来许多研究着重于磁铁矿复合物的制备,以提高磁铁矿的稳定性及催化性能.本文通过惰性氛围高温焙烧三聚氰胺制备了g-C3N4,再通过氯化铁和乙酸钠在乙醇中于180°C溶剂热反应,制备Fe3O4纳米粒子,最后通过静电自组装过程制备出Fe3O4/g-C3N4纳米复合材料.利用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)及X射线光电子光谱(XPS)等手段验证其组成和结构.XRD结果表明,Fe3O4/g-C3N4复合材料中可以清晰看到Fe3O4和g-C3N4的衍射峰,说明这两种材料的晶相得以保持.SEM和TEM结果表明,Fe3O4纳米颗粒很好地附着在g-C3N4薄片上.XPS结果表明,氮化碳中存在典型的三种N峰;此外还存在铁的两种价态.光-芬顿活性测试中,相同条件下,Fe3O4/g-C3N4在60 min内将罗丹明B(RhB)几乎降解完全,而单组份的Fe3O4或g-C3N4对RhB的降解小于50%.可见,复合后的Fe3O4/g-C3N4光催化性能得到很大提升.单g-C3N4本身由于快速的电子空穴复合以及对双氧水的弱亲和力,因而对Rh B降解效果差.单独的Fe3O4由于在中性或者碱性条件下反而会抑制光催化芬顿活性.对于制备的Fe3O4/g-C3N4复合材料,具有以下优点:(1)电子在Fe3+和g-C3N4的LUMO轨道上的转移降低了电子-空穴对的复合;(2)Fe3O4均匀分布在g-C3N4上,对于H2O2的吸附提供了有利的高比表面积;(3)Fe3O4和g-C3N4之间的界面相互作用使得Fe3O4的稳定性提高.通过降解RhB的动力学研究,得到反应速率为0.02 min–1,属准一级反应.分析检测结果表明,光-芬顿反应后,RhB分子被彻底矿化降解,没有中间产物生成,最终降解为CO2和水.同时,通过对辣根过氧化物酶(HRP)模拟催化进行测试,以3,3’,5,5’-四甲基联苯胺盐酸盐(TMB)作为基质,同时添加双氧水和Fe3O4/g-C3N4,在pH值为4.5条件下,TMB可以被有效氧化.实验表明,Fe3O4/g-C3N4添加量为25 mg/ml时,对TMB氧化性能最佳.复合催化剂还用于多巴胺的催化氧化反应.结果表明,多巴胺的氧化反应速率常数为1.21 min–1,属一级动力学反应.总之,复合材料提高了Rh B的光催化降解活性和稳定性;对TMB和HRP亲和性好,表现出高的类过氧化酶反应活性;有效的多巴胺氧化反应表明其有望用于生物基氧化反应中.实验结果表明,本文发展的Fe3O4/g-C3N4复合材料为其他类型复合材料的制备与应用提供了新的思路.
-
单位合肥微尺度物质科学国家实验室; 土木与环境工程学院; 中国科学技术大学
