氧化锌、磷酸银基氮掺杂石墨烯复合物的制备及其光催化性能.pdf

石墨烯,作为目前唯一存在的由单层碳原子堆积的二维自由体原子晶体,由于具有优异的机械韧性、导电性和大的比表面积,吸引了化学、材料等其他领域科学家的极大兴趣。随着对石墨烯的研究的深入,科学家们通过改变其形貌或者掺杂其它原子等方法来改善石墨烯的性质,从而拓宽其在各领域的应用。本论文以无机纳米材料/氮掺杂石墨烯复合材料为研究对象,通过不同的反应条件合成氮掺杂石墨烯复合无机纳米材料,并对其形貌控制、形成机理、物理化学性能特别是光催化降解有机染料性能进行了全面深入的研究,以期获得具有优异性能的光催化剂。主要包含以下几个方面的工作:　　1、通过两步法尝试合成氧化锌半导体( ZnO)和氮掺杂石墨烯( NG)复合组成一种新的二维纳米结构的光催化剂,并研究其在紫外光照射下对甲基橙的催化降解效果。先用水热法,以氧化石墨烯( GO)和二乙烯三胺为原料合成氮含量分别为6.10 at.％、5.42 at.%和4.75 at.%的NG,再通过溶剂热法或溶胶凝胶法制备NG-ZnO复合材料。利用X射线光电子能谱、X-射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、紫外-可见漫反射光谱和紫外-可见光谱对复合材料的结构、形貌、带隙宽度和光催化活性进行了表征。实验结果表明,在以溶剂热法合成的含氮量为4.75 at.%的NG含量不同的NG-ZnO复合材料中,NG的加入对ZnO的光催化降解甲基橙的效果均有改善,当NG含量为9.84%时,光催化速率最大。在以溶胶凝胶法合成的含氮量为4.75 at.%的NG-ZnO产物中,2 wt.%NG-ZnO的光催化活性最高,约是纯的ZnO的1.23倍;另外,2 wt.%NG-ZnO的光催化活性也高于机械混合的2 wt.%NG-ZnO和2 wt.%GO-ZnO的光催化活性,这表明该溶胶凝胶法将氧化锌粒子成功附着在氮掺杂石墨烯表面,这是简单的机械混合所不能达到的效果。另外两种氮掺杂石墨烯和氧化锌复合组成的2 wt.%NG-ZnO在紫外光照射下对甲基橙催化降解的活性和稳定性也强于纯的ZnO纳米粒子,这是因为2 wt.%NG-ZnO复合材料中NG和 ZnO间有更强的协同效应,利于电子-空穴的传递和分离。结果表明, NG不仅在降解有机染料领域有所作为,在太阳能电池、超级电容器和生物传感器等方面也有巨大潜在应用。　　2、采用溶剂热法在乙醇和水组成的混合溶剂中(改变比例)合成了银( Ag)与棒状、片状和粒子状氧化锌( ZnO)及氮掺杂石墨烯( NG)三元复合材料,研究了其在可见光照射下对甲基橙、亚甲基蓝以及罗丹明B的光催化降解效果。利用X射线光电子能谱、X-射线粉末衍射、扫描电镜、紫外-可见漫反射光谱和紫外-可见光谱对复合材料的结构、形貌、带隙宽度和光催化活性进行表征。实验结果证明,在这三种形貌的复合物中,NG的含量增加都会促使相应的复合物对罗丹明B的吸附量增大,然而光催化效果并不与NG的量成正比。NG对Ag-棒状ZnO的光催化性质没有改善;NG的加入不仅改变了Ag-片状ZnO的光催化性质,同时也改变了其形貌;Ag-粒子状ZnO-NG的光催化活性同样也优于Ag-粒子状ZnO,其中NG含量是5 wt.%时,光催化效果最好,而Ag-ZnO-5 wt.%GO的光催化效果和Ag-粒子状ZnO的光催化速率几乎相同。由此可以看出,在该体系中NG的加入对Ag-粒子状ZnO的光催化效果有改善,并且优于GO。也就是说,半导体尺寸越小,和氮掺杂石墨烯间的协同作用越大。　　3、尝试在三种不同溶剂中合成磷酸银( Ag3PO4)与氮掺杂石墨烯( NG)复合材料,并研究其在可见光照射下对甲基橙和罗丹明B的光催化降解效果。先重复合成上个体系三种含氮量不同的氮掺杂石墨烯,并与购买的氮掺杂石墨烯对比,再尝试用不同的溶剂(二甲基亚砜和乙醇,乙二醇,水)以及相应的方法合成NG-Ag3PO4复合材料。利用X射线光电子能谱、X-射线粉末衍射、扫描电镜、紫外-可见漫反射光谱和紫外-可见光谱对复合材料的结构、形貌、带隙宽度和光催化活性进行表征。实验结果证明,氮含量越少的NG形成的NG-Ag3PO4的催化效果越好。虽然NG-Ag3PO4对罗丹明B的降解活性比Ag3PO4的强,却比GO-Ag3PO4略差,且光催化效果最好的2.8 wt.%GO-Ag3PO4和1.4 wt.%NG-Ag3PO4的抗光腐蚀性并没有优于纯的Ag3PO4。其可能原因是NG的存在没有阻止Ag3PO4被还原,并且由于NG的存在,Ag3PO4的量相对减少,从而使得在之后两次光催化循环中光催化活性反倒小于纯的Ag3PO4。这种现象有待继续研究。另外,氮掺杂石墨烯在有机溶剂中的分散性强于二次水;氮元素含量越少,对应的氮掺杂石墨烯在溶剂中的分散性越好。