g-C3N4异质结的构筑及其在光电催化水分解中的应用

。图上的其他衍射峰表示FTO导电玻璃的衍射峰。图3-4CN-450和CN-YZJ薄膜XRD紫外-可见光光谱分析（UV）图3-5是在UV-26001系列紫外可见分光光度计下2g三-3%CN-YZJ和CN-450测出的紫外光光谱图，由于可见光的波长范围是390~780nm，g-C3N4对可见光的吸收范围是波长<460nm，由图可知，不同温度煅烧的g-C3N4构筑异质结之后在可见光波长范围的吸收率高于纯g-C3N4，在可见光的吸收范围发生了红移，提高了纯g-C3N4在可见光波长范围内的光响应程度，提高了光电转化效率，g-C3N4的光电催化性能得以提高。图3-5CN-450和CN-YZJ薄膜UV红外光谱分析（FTIR）采用傅立叶变换红外光谱仪Nicolet对5层的CN-YZJ和CN-450薄膜进行红外谱图分析。图3-6表示CN-YZJ和CN-450薄膜的FTIR谱图，由图可知，800cm-1和1650~1000cm-1范围的FTIR吸收峰是g-C3N4的三嗪环的拉伸模式和3-s-三嗪环的弯曲振动，1700~1200cm-1范围属于C-N杂环峰，1680~1620cm-1范围内是C=C双键的红外吸收峰，805cm-1处的吸收峰对应g-C3N4的3-s-三嗪环的变形，通过CN-YZJ薄膜和CN-450薄膜的红外特征吸收峰对比发现合成了g-C3N4异质结材料。图3-6CN-450和CN-YZJ薄膜FTIR光电催化水分解性能测试结果与分析光电流（i-t）分析煅烧温度对光电流（i-t）的影响本实验在g-C3N4光阳极的制备过程中我们将制备好的2g三-x%CN-YZJ（x=1、2、3、4、5）的前驱物浆料薄膜放入到450℃通有氮气的管式炉中煅烧4个小时，之后对获得的g-C3N4异质结薄膜的背面和正面进行光电流（i-t）测试，测试结果如图3-7和3-8所示。由图可知，2g三-3%CN-YZJ的正面的光电流密度最大，高达139µA·cm-2，其他的g-C3N4异质结光阳极的光电流密度均低于139µA·cm-2，可能是由于不同化学性质的g-C3N4的质量分数不同，导致构筑的异质结对g-C3N4光催化性能的影响效果不同，进而影响光生电子-空穴复合的效率，最后导致光电流密度有差异。图3-7CN-450和CN-YZJ薄膜背面i-t图3-8CN-450和CN-YZJ薄膜正面i-t保持其他条件不变，改变煅烧温度为400℃，图3-9是400℃和450℃煅烧得到的g-C3N4异质结薄膜正面的光电流密度图，可以发现煅烧温度为450℃时的g-C3N4异质结薄膜的光电流密度较好。再次改变管式炉的煅烧温度为500℃，结果发现g-C3N4异质结薄膜没有长在基底FTO导电玻璃上，说明煅烧温度为500℃时温度过高，对于g-C3N4异质结的构筑效果不明显。图3-9CN-YZJ-400和CN-YZJ-450薄膜正面i-t综上所述，当煅烧温度为450℃，煅烧时间为4h时，g-C3N4质量比例3%制备CN-YZJ薄膜的光电流（i-t）测试结果最好，之后的实验集中探究g-C3N4质量比例3%构筑的CN-YZJ薄膜在光电催化水分解中的应用。g-C3N4异质结薄膜厚度对光电流（i-t）的影响保证煅烧温度为450℃，煅烧时间为4h不变，通过改变2g三-3%CN-YZJ的胶带层数来改变前驱物浆料薄膜厚度，每层胶带的厚度为0.06mm，将胶带层数由3层（0.06*3=0.18mm）改变到4层（0.06*4=0.24mm）和5层（0.06*5=0.30mm），再通过热聚合反应制备光阳极。随后进行光电流（i-t）测试，图3-10是在3层、4层和5层胶带下2g三-3%CN-YZJ正面测得的光电流密度，通过对比不同胶带层数下制备的2g三-3%CN-YZJ的光电流密度，发现胶带层数为5层的2g三-3%CN-YZJ光电流密度最大。改变前驱物浆料薄膜的厚度，对于制备CN-YZJ薄膜的厚度有影响，从而影响在光电流（i-t）测试的结果。图3-10不同厚度CN-YZJ薄膜正面i-t本实验未进行光电化学稳定性测试，由i-t测试的曲线可以观察到稳定性还有待改善，可能是由于测试过程中氙灯光源不稳定，导致一个太阳光光源条件受到影响而改变稳定性。电荷传输性能测试结果与分析电化学阻抗分析（EIS）阻抗是指在有电阻、电感和电容的电路中对电流起到的阻碍作用，如图3-11所示，2g三-3%CN-YZJ对应的阻抗为5019kΩ，CN-450薄膜对应的阻抗为8.929e4kΩ，与图3-8中显示2g三-3%CN-YZJ的光电流密度达到了139µA·cm-2，而CN-450薄膜的光电流密度为27µA·cm-2，对比发现，阻抗的变化与光电流密度的变化成反比。图3-12中为电化学阻抗测量的拟合电路图。电化学阻抗测量的拟合电路图的阻抗数值见表3-1。图3-11CN-450和CN-YZJ薄膜EISRRSRctCPE图3-12EIS拟合电路图表3-1EIS测试拟合电路的阻抗数值SampleRS(Ω)Rct(KΩ)CPEct(μF)CN-45076.8989.2915.31CN-YZJ36.355.01962.28

结论本实验通过以三聚氰胺为前驱体采用热聚合法在550℃制备得到g-C3N4原材料，将550℃与450℃煅烧的具有不同化学性质的g-C3N4混合在一起构建异质结。通过分析得到以下结论：(1)首先，通过SEM进行形貌分析发现g-C3N4异质结薄膜的孔隙较多且较大，增加了g-C3N4的比表面积，光催化活性提高；其次，通过XRD进行晶型分析，发现g-C3N4异质结薄膜在13°和27°出现g-C3N4衍射特征峰，表明合成了g-C3N4异质结材料；接下来进行紫外-可见光（UV）吸收分析，发现构筑的g-C3N4异质结薄膜在可见光吸收范围比CN-450发生了红移，但仍旧保持在可见光的波长范围内，说明构筑g-C3N4异质结薄膜能够提高g-C3N4对可见光的光响应程度；最后，利用傅立叶红外变换光谱（FTIR）进行g-C3N4特征峰分析分析发现在800cm-1、1700~1200cm-1、1650~1000cm-1等范围出现g-C3N4特征吸收峰，以上分析都证明了g-C3N4异质结材料的合成。(2)借助三电极系统，采用多通道恒电位仪对g-C3N4异质结进行光电催化水分解的性能测试以及电荷传输性能测试，表明了构筑g-C3N4异质结能够提高g-C3N4光催化活性和电荷传输性能，进一步促进光电催化水分解反应的高效进行。(3)实验结果表示，当550℃煅烧的g-C3N4质量分数为3%时，在薄膜厚度为0.30mm，煅烧温度为450℃，煅烧时间为4h等条件下制备的g-C3N4异质结薄膜作为光阳极，对应可逆氢电位为1.23V，在电解质溶液为1mol/L的KOH溶液中检测的光电流密度最高达到139µA·cm-2，是CN-450薄膜的5倍，证明构筑g-C3N4异质结能够显著提高g-C3N4在光电催化水分解反应中的光电催化性能。光电催化水分解技术的研究大有可为，开发光催化性能更加良好的光催化剂是研究的关键，目前研究的光催化剂还存在一些带隙较宽、对光的吸收能力较弱，比表面积较小等缺点，相信在不久的将来，这些问题能够有所突破，光电催化水分解技术高效进行指日可待。

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