g-C3N4異質結的構筑及其在光電催化水分解中的應用

。圖上的其他衍射峰表示FTO導電玻璃的衍射峰。圖3-4CN-450和CN-YZJ薄膜XRD紫外-可見光光譜分析（UV）圖3-5是在UV-26001系列紫外可見分光光度計下2g三-3%CN-YZJ和CN-450測出的紫外光光譜圖，由于可見光的波長范圍是390~780nm，g-C3N4對可見光的吸收范圍是波長<460nm，由圖可知，不同溫度煅燒的g-C3N4構筑異質結之后在可見光波長范圍的吸收率高于純g-C3N4，在可見光的吸收范圍發(fā)生了紅移，提高了純g-C3N4在可見光波長范圍內的光響應程度，提高了光電轉化效率，g-C3N4的光電催化性能得以提高。圖3-5CN-450和CN-YZJ薄膜UV紅外光譜分析（FTIR）采用傅立葉變換紅外光譜儀Nicolet對5層的CN-YZJ和CN-450薄膜進行紅外譜圖分析。圖3-6表示CN-YZJ和CN-450薄膜的FTIR譜圖，由圖可知，800cm-1和1650~1000cm-1范圍的FTIR吸收峰是g-C3N4的三嗪環(huán)的拉伸模式和3-s-三嗪環(huán)的彎曲振動，1700~1200cm-1范圍屬于C-N雜環(huán)峰，1680~1620cm-1范圍內是C=C雙鍵的紅外吸收峰，805cm-1處的吸收峰對應g-C3N4的3-s-三嗪環(huán)的變形，通過CN-YZJ薄膜和CN-450薄膜的紅外特征吸收峰對比發(fā)現(xiàn)合成了g-C3N4異質結材料。圖3-6CN-450和CN-YZJ薄膜FTIR光電催化水分解性能測試結果與分析光電流（i-t）分析煅燒溫度對光電流（i-t）的影響本實驗在g-C3N4光陽極的制備過程中我們將制備好的2g三-x%CN-YZJ（x=1、2、3、4、5）的前驅物漿料薄膜放入到450℃通有氮氣的管式爐中煅燒4個小時，之后對獲得的g-C3N4異質結薄膜的背面和正面進行光電流（i-t）測試，測試結果如圖3-7和3-8所示。由圖可知，2g三-3%CN-YZJ的正面的光電流密度最大，高達139μA·cm-2，其他的g-C3N4異質結光陽極的光電流密度均低于139μA·cm-2，可能是由于不同化學性質的g-C3N4的質量分數(shù)不同，導致構筑的異質結對g-C3N4光催化性能的影響效果不同，進而影響光生電子-空穴復合的效率，最后導致光電流密度有差異。圖3-7CN-450和CN-YZJ薄膜背面i-t圖3-8CN-450和CN-YZJ薄膜正面i-t保持其他條件不變，改變煅燒溫度為400℃，圖3-9是400℃和450℃煅燒得到的g-C3N4異質結薄膜正面的光電流密度圖，可以發(fā)現(xiàn)煅燒溫度為450℃時的g-C3N4異質結薄膜的光電流密度較好。再次改變管式爐的煅燒溫度為500℃，結果發(fā)現(xiàn)g-C3N4異質結薄膜沒有長在基底FTO導電玻璃上，說明煅燒溫度為500℃時溫度過高，對于g-C3N4異質結的構筑效果不明顯。圖3-9CN-YZJ-400和CN-YZJ-450薄膜正面i-t綜上所述，當煅燒溫度為450℃，煅燒時間為4h時，g-C3N4質量比例3%制備CN-YZJ薄膜的光電流（i-t）測試結果最好，之后的實驗集中探究g-C3N4質量比例3%構筑的CN-YZJ薄膜在光電催化水分解中的應用。g-C3N4異質結薄膜厚度對光電流（i-t）的影響保證煅燒溫度為450℃，煅燒時間為4h不變，通過改變2g三-3%CN-YZJ的膠帶層數(shù)來改變前驅物漿料薄膜厚度，每層膠帶的厚度為0.06mm，將膠帶層數(shù)由3層（0.06*3=0.18mm）改變到4層（0.06*4=0.24mm）和5層（0.06*5=0.30mm），再通過熱聚合反應制備光陽極。隨后進行光電流（i-t）測試，圖3-10是在3層、4層和5層膠帶下2g三-3%CN-YZJ正面測得的光電流密度，通過對比不同膠帶層數(shù)下制備的2g三-3%CN-YZJ的光電流密度，發(fā)現(xiàn)膠帶層數(shù)為5層的2g三-3%CN-YZJ光電流密度最大。改變前驅物漿料薄膜的厚度，對于制備CN-YZJ薄膜的厚度有影響，從而影響在光電流（i-t）測試的結果。圖3-10不同厚度CN-YZJ薄膜正面i-t本實驗未進行光電化學穩(wěn)定性測試，由i-t測試的曲線可以觀察到穩(wěn)定性還有待改善，可能是由于測試過程中氙燈光源不穩(wěn)定，導致一個太陽光光源條件受到影響而改變穩(wěn)定性。電荷傳輸性能測試結果與分析電化學阻抗分析（EIS）阻抗是指在有電阻、電感和電容的電路中對電流起到的阻礙作用，如圖3-11所示，2g三-3%CN-YZJ對應的阻抗為5019kΩ，CN-450薄膜對應的阻抗為8.929e4kΩ，與圖3-8中顯示2g三-3%CN-YZJ的光電流密度達到了139μA·cm-2，而CN-450薄膜的光電流密度為27μA·cm-2，對比發(fā)現(xiàn)，阻抗的變化與光電流密度的變化成反比。圖3-12中為電化學阻抗測量的擬合電路圖。電化學阻抗測量的擬合電路圖的阻抗數(shù)值見表3-1。圖3-11CN-450和CN-YZJ薄膜EISRRSRctCPE圖3-12EIS擬合電路圖表3-1EIS測試擬合電路的阻抗數(shù)值SampleRS(Ω)Rct(KΩ)CPEct(μF)CN-45076.8989.2915.31CN-YZJ36.355.01962.28

結論本實驗通過以三聚氰胺為前驅體采用熱聚合法在550℃制備得到g-C3N4原材料，將550℃與450℃煅燒的具有不同化學性質的g-C3N4混合在一起構建異質結。通過分析得到以下結論：(1)首先，通過SEM進行形貌分析發(fā)現(xiàn)g-C3N4異質結薄膜的孔隙較多且較大，增加了g-C3N4的比表面積，光催化活性提高；其次，通過XRD進行晶型分析，發(fā)現(xiàn)g-C3N4異質結薄膜在13°和27°出現(xiàn)g-C3N4衍射特征峰，表明合成了g-C3N4異質結材料；接下來進行紫外-可見光（UV）吸收分析，發(fā)現(xiàn)構筑的g-C3N4異質結薄膜在可見光吸收范圍比CN-450發(fā)生了紅移，但仍舊保持在可見光的波長范圍內，說明構筑g-C3N4異質結薄膜能夠提高g-C3N4對可見光的光響應程度；最后，利用傅立葉紅外變換光譜（FTIR）進行g-C3N4特征峰分析分析發(fā)現(xiàn)在800cm-1、1700~1200cm-1、1650~1000cm-1等范圍出現(xiàn)g-C3N4特征吸收峰，以上分析都證明了g-C3N4異質結材料的合成。(2)借助三電極系統(tǒng)，采用多通道恒電位儀對g-C3N4異質結進行光電催化水分解的性能測試以及電荷傳輸性能測試，表明了構筑g-C3N4異質結能夠提高g-C3N4光催化活性和電荷傳輸性能，進一步促進光電催化水分解反應的高效進行。(3)實驗結果表示，當550℃煅燒的g-C3N4質量分數(shù)為3%時，在薄膜厚度為0.30mm，煅燒溫度為450℃，煅燒時間為4h等條件下制備的g-C3N4異質結薄膜作為光陽極，對應可逆氫電位為1.23V，在電解質溶液為1mol/L的KOH溶液中檢測的光電流密度最高達到139μA·cm-2，是CN-450薄膜的5倍，證明構筑g-C3N4異質結能夠顯著提高g-C3N4在光電催化水分解反應中的光電催化性能。光電催化水分解技術的研究大有可為，開發(fā)光催化性能更加良好的光催化劑是研究的關鍵，目前研究的光催化劑還存在一些帶隙較寬、對光的吸收能力較弱，比表面積較小等缺點，相信在不久的將來，這些問題能夠有所突破，光電催化水分解技術高效進行指日可待。

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