C3N4新型聚合物光催化材料的研究 ppt课件
光催化材料的研究概况ppt课件
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举个例子
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4
光催化净化空气
光催化涂层专用纳米二氧化钛
① 具有光催化降解甲醛、苯、氨等有害气体的功效。 ② 具有抗污、屏蔽紫外线功效。 ③ 拥有持续有效的杀菌效果，无需另外添加抗菌剂。
实验证明1% 纳米二氧化钛浓度,自然光照射下作用 24h对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草杆菌黑色变 种芽孢的抗菌率分别为97.7% ,99.7%,88.2%;在不同温 度、pH和光源条件下纳米二氧化钛均表现出很好的 抗菌效果。
光催化材料的研究概况
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光催化的由来
1955年，Brattain 和Gareet 才对光电 现象进行了合理的解 释，标志着光电化学 的诞生
1839年， Becquerel 发现了光电 现象
1972年， 日本东京大 学Fujishima和Honda 研究发现 ，利用TiO2 单晶进行光催化反应可
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光催化材料的开发现状与研究方法
目前国内外光催材料的研究多数停留在二氧化钛及相关修饰,尽管这些工作卓有成效， 但是在规模化利用太阳能方面还远远不够。光催化研究的关键问题之一是发展能够 在太阳光下高效工作的稳定、低成本半导体光催化材料。 为了与传统的TiO2 ，SrTiO3等仅具有紫外光响应的光催化材料相区别，人们称具 有可见光响应的光催化材料为新型光催化材料。
使水分解成氢和氧。这
一开创性的工作标志着
光电现象应用于光催化
分解水制氢研究的全面 启动
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过去40年里， 人们在光催化 材料开发与应 用方面的研究 取得了丰硕的 成果
2
什么是光催化材料？
光催化材料是指在光作用下可以诱发光 氧化一还原反应的一类半导体材料。
光催化材料 ppt课件
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常见半导体材料的能带结构
Evs.SHE(pH=0)/eV
SiC
ZnS
-1.0
ZrO2
SrTiO3 TiO2 Ta2O5
0.0
Nb2O5 SnO2 ZnO
WO3
3.2 3.2
3.8
3.6
1.0
eV
4.6 5.0
3.2 3.4
2.8
3.0 CdS
H+/H2 (E=0 eV)
2.4
O2/H2O (E=1.23eV)
价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。
空穴与H2O或OH-结合产生化学性质极为活泼的羟基自由基（ HO . ）
电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的超氧离子自由基等(.O2-, HO . 等)
空穴，自由基都有很强的氧化性，能将有机物直接氧化为CO2, H2O
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光催化的机理
可以想象一下，在分子的周围，形成了大量的光致电子和 光致空穴，在光的照射下，他们不断产生，又不断复合， 但是从宏观的角度看，在某一时刻，总是有大量的来不及 复合的电子和空穴的存在，他们不断的寻找自己的猎物。
化学气相沉积法
化学气相沉积法（CVD）利用挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生 成所需化合物，该法制备的纳米TiO2粒度细，化学活性高，粒子呈球形， 单分散性好，可见光透过性好，吸收屏蔽紫外线能力强。
该过程易于放大，实现连续化生产，但一次性投资大，同时需要解决粉 体的收集和存放问题.
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光催化材料TiO2制备方法
纳米TiO2光催化剂的负载
由于粉体的纳米TiO2过程中存在着使 用和回收不便的问题，在实际的应用中 很难利用，因此需要对TiO2进行负载， 以便在实际中得到很好的应用。 研究 人员采用浸渍法、层层组装的方法对纳 米TiO2进行了负载，分别在石棉绳、 玻璃纤维、沸石、分子筛上进行了负载， 得到了较好的结果。
g-C3N4基光催化剂的合成及性能优化的研究
g-C3N4基光催化剂的合成及性能优化的研究g-C3N4基光催化剂的合成及性能优化的研究近年来，光催化技术因为其在环境污染治理、能源转化和有机合成等方面的巨大潜力，受到了广泛的关注。
在这些应用中，g-C3N4基光催化剂因其可见光响应和较高的光催化活性而备受瞩目。
g-C3N4是一种类似于石墨烯的二维材料，由碳、氮元素组成。
由于其具有较高的可见光吸收能力和良好的电子传导性，因此成为制备光催化剂的有力候选材料。
然而，纯g-C3N4的光催化活性较低，主要原因是其带隙能量较大，不利于可见光的吸收。
因此，针对g-C3N4的合成和性能优化成为了当前研究的热点之一。
目前，研究者们通过一系列方法来合成g-C3N4光催化剂，并改善其光催化性能。
一种常见的方法是通过热聚合的方式制备g-C3N4。
通常，蓝薯、尿素等富含氮元素的有机物被选择为前身，经过简单的热处理即可得到g-C3N4材料。
此外，研究者们还探索了其他合成方法，如溶剂热法、微波辐射法和气相沉积法等。
这些方法在改善光催化性能方面发挥了积极的作用。
为了进一步提高g-C3N4光催化剂的性能，研究者们采用了多种方法对其进行改性。
一种常见的方法是通过掺杂其他元素来引入缺陷或能带调制。
例如，研究者们通过掺杂金属等元素，有效降低了g-C3N4的带隙能量，并增强了其可见光吸收能力。
此外，还有研究表明，通过改变g-C3N4的形貌和结构，也可以显著改善其光催化性能。
如采用纳米多孔结构、片状结构等形貌设计，可以增加催化剂的比表面积和光响应能力。
除了合成和形貌结构的改进，提高光催化性能还需要研究者们合理设计反应体系。
例如，在选择催化剂和底物的组合时，需要考虑其能级匹配和反应活性。
此外，还需要优化催化条件，如光照强度、反应温度、pH值等，以提高催化效率。
同时，研究者们也在不断探索新的催化机制，以深入理解g-C3N4光催化剂的工作原理。
综上所述，g-C3N4基光催化剂的合成及性能优化的研究是一个复杂而富有挑战性的领域。
氮化碳聚合物半导体光催化
氮化碳聚合物半导体光催化一、本文概述随着全球能源危机和环境问题的日益严峻，寻找高效、环保的能源转换与存储技术已成为科研领域的重要任务。
在众多技术中，半导体光催化技术因其能够直接利用太阳能进行化学反应而备受关注。
氮化碳聚合物作为一种新型的非金属半导体材料，具有独特的电子结构和物理化学性质，其在光催化领域的应用潜力日益凸显。
本文将对氮化碳聚合物半导体光催化的研究现状、基本原理、应用领域以及未来发展方向进行全面概述，旨在为相关领域的研究者提供有益的参考和启示。
二、氮化碳聚合物半导体概述氮化碳（C3N4）作为一种新兴的半导体材料，近年来在光催化领域引起了广泛关注。
氮化碳聚合物不仅具有优异的化学稳定性、热稳定性以及良好的电子传输性能，而且其独特的电子结构和能带结构使其在光催化领域展现出巨大的应用潜力。
氮化碳聚合物半导体通常是由碳和氮元素通过特定的化学键合方式形成的聚合物网络结构。
这种材料结合了碳和氮两种元素的优点，既保留了碳材料的高导电性和化学稳定性，又利用了氮元素的独特电子特性，从而实现了在光催化反应中的高效电荷分离和传输。
在光催化过程中，氮化碳聚合物半导体能够吸收太阳光中的可见光部分，并通过激发电子从价带跃迁到导带，产生光生电子-空穴对。
这些光生电子-空穴对在催化剂表面发生氧化还原反应，从而驱动光催化反应的进行。
由于氮化碳聚合物半导体具有合适的能带结构和良好的电荷传输性能，因此能够有效地利用太阳光能，实现高效的光催化反应。
氮化碳聚合物半导体还可以通过调控其组成、结构和形貌等方式进一步优化其光催化性能。
例如，通过引入缺陷、掺杂其他元素或构建纳米结构等手段，可以调控氮化碳聚合物半导体的能带结构、光吸收性能和电荷传输性能，从而提高其光催化效率和稳定性。
氮化碳聚合物半导体作为一种新型的光催化材料，在光催化领域具有广阔的应用前景。
其独特的电子结构和能带结构、良好的化学稳定性和热稳定性以及优异的电荷传输性能使其成为光催化领域的研究热点之一。
g-c3n4
G-C3N4是一种典型的聚合物半导体，其中CN原子与sp2杂交形成高度离域的π共轭体系。
其中，Npz轨道构成g-C3N4的最高占据分子轨道（HOMO），而Cpz轨道构成最低的未占据分子轨道（LUMO），带隙为〜2.7 eV，可以吸收波长为的蓝紫色光在太阳光谱中小于475。
G-C3N4具有非常合适的半导体带边缘位置，可以满足水产品中氢和氧的光解的热力学要求。
此外，与传统的TiO2光催化剂相比，g-C3N4可以有效活化分子氧并生成超氧化物自由基，用于有机官能团的光催化转化和有机污染物的光催化降解。
G-C3N4作为一种新型的非金属光催化材料，具有比传统的TiO2光催化剂更宽的吸收光谱，并且仅在普通可见光下没有紫外线才可以发挥光催化作用。
同时，与TiO2相比，g-C3N4可以有效活化分子氧并产生超氧自由基，用于有机官能团的光催化转化和有机污染物的光催化降解，更适合室内空气污染控制和有机物降解。
G-C3N4作为一种新型的非金属光催化材料，具有比传统的TiO2光催化剂更宽的吸收光谱，并且仅在普通可见光下没有紫外线才可以发挥光催化作用。
同时，与TiO2相比，g-C3N4可以有效活化分子氧并产生超氧自由基，用于有机官能团的光催化转化和有机污染物的光催化降解，更适合室内空气污染控制和有机物降解。
G-c3n4具有良好的热稳定性和化学稳定性。
G-C3N4在高温下具有稳定的性能。
当温度超过600℃时，热稳定性开始下降。
G-c3n4可以在强酸和强碱条件下保持稳定的性能。
g-c3n4对SPF KM小鼠的急性口服毒性是ld50> 5000mg / kg bw，实际上是无毒的。
对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抑菌作用。
G-C3N4可由多种富氮前体（如双氰胺，尿素，三聚氰胺，硫脲等）和多种制备方法制备，具有工艺流程短，设备少，设备要求低，制备时间短的特点。
时间。
但是，由于成品的收率低，稳定性差的问题，主要在实验室水平上少量制备，一些企业已成功实现批量生产。
-C3N4新型聚合物光催化材料的研究
提高g-C3N4的光催化性能
贵金属 沉积
如何提 高光催 化性能
形貌 调控
半导体 复合
元素 掺杂
Wang X C, et al. J Am Chem Soc, 2009, 131, 1680. Maeda K, et al. J Phys Chem C, 2009, 113, 4940. Liu G, et al. J Am Chem Soc, 2010, 132, 11642. Liao G Z, et al. J Mater Chem, 2012, 22, 2721.
-0.45
0.12
降解速率常数 -1
0.18 4:1-8 2:1-8
1:1-8
0.08 g-C3N4
-0.75
0.12 g-C3N4
mAU
AA 80 0 h 1h 40 2 h 3h 0 4h
AB
0.04
0.06
-0.60
0.00
-1.00
0.00
0
1
时 间/h
2
3
4
0
1
时 间/h
2
3
4
4
时 间/min
Zhang X, et al. J Am Chem Soc, 2013, 135, 18.
0.004
3
0.002
0.000 2 10 30
孔 径/nm
50 70
90
98
样品名 4:1-8 4:1-6 4:1-4 4:1-2
比表面积 (m2g-1) 29.5 25.7 23.6 23.1
孔体积 (cm3g-1) 0.170 0.148 0.125 0.123
升温速率越快，比表面积越高，孔体积越大
新型可见光光催化剂C3N4的制备技术及其光催化研究进展
新型可见光光催化剂C3N4 的制备技术及其光催化研究进展摘要：作为理论预测的超硬新材料，氮化碳可能具有良好的力学、电学、光学性能和广泛的应用前景，其合成和性能的研究引起了各国研究人员的广泛关注，已合成了具有独特性的氮化碳。
目前主要采用化学气相沉积法、物理气相沉积法、高温高压法、脉冲放电与高速冲击法、溶剂热合成和机械合金化法等。
本文对氮化碳的制备方法以及研究现状进行了比较详细的介绍。
关键词：C3N4制备方法，光催化，研究进展Abstract：Carbon nitride materials predicted by theoretic calculating may have excellent properties in mechanics,electricity,photics and abroad applications.The research on syntheses and properties of carbon nitride materials is interesting for scholars form different countries.Carbon nitride materials with particular properties has been synthesized. Its structure and character were reviewed,and the synthetic methods,including CVD, PVD, high pressure and temperature, impulsive discharge and high speed impact, solvothermal method, mechanochemical reaction et al.,were completely introduced.The perspectives of the investigations of the C3N4 were discussed by looking at the new progresses of the corresponding application studies. Keywords: C3N4,preparation method,superhard material,study development 1．引言近些年，人们在合成新型超硬材料方面取得了明显的进展。
光催化及材料课件
光催化及材料课件一、引言光催化是一种利用光能驱动化学反应的过程，具有高效、环保、可持续等优点。
光催化材料是实现这一过程的关键，其性能直接影响到光催化反应的效率和稳定性。
本课件将介绍光催化及材料的基本原理、分类、制备方法、表面改性以及在环保领域的应用。
二、光催化基本原理光催化反应的基本原理是：当光照射到光催化材料表面时，材料吸收光能并产生电子-空穴对。
这些电子和空穴具有很强的氧化还原能力，可以与吸附在材料表面的物质发生氧化还原反应，从而实现光催化过程。
三、光催化材料的分类根据材料的能带结构和光电特性，光催化材料可分为半导体光催化材料和非金属光催化材料。
半导体光催化材料是最常用的一类，包括氧化物、硫化物、氮化物等。
非金属光催化材料则主要包括碳基材料、石墨烯等。
四、光催化材料的制备方法光催化材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、微乳液法、气相沉积法等。
这些方法各有优缺点，可根据具体需求和条件选择合适的制备方法。
五、光催化材料的表面改性为了提高光催化材料的性能，常需要对其进行表面改性。
表面改性的方法包括离子掺杂、贵金属沉积、半导体复合、染料敏化等。
这些方法可以有效地提高光催化材料的吸光性能、电荷分离效率、稳定性等。
六、光催化材料在环保领域的应用光催化材料在环保领域具有广泛的应用前景，主要用于有机污染物降解、水分解制氢、空气净化等方面。
例如，利用光催化材料可以降解废水中的有机染料、农药等污染物，实现废水的净化处理。
此外，光催化材料还可以用于室内空气净化，去除甲醛、苯等有害气体。
七、结论与展望光催化及材料作为一种高效、环保的技术手段，在解决能源和环境问题方面具有巨大的潜力。
未来，随着材料科学和光催化技术的不断发展，光催化材料将在更多领域得到应用，并为人类社会的可持续发展做出贡献。
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2020/2/5
Langmuir， 2013, 29, 10566
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比表面积和孔分布
V /cm3 g-1 ads
孔 体积/cm3g-1nm-1
(a)
100 75 50 25
4:1-2 4:1-4 4:1-6 4:1-8
(b)
0.006
0.004
0.002
4:1-2 4:1-4 4:1-6 4:1-8
硬模板法：不环保，过程复杂
气泡模板法制备多孔C3N4
硫脲含量对形貌的影响
• 气泡模板法：以硫脲 和尿素为发泡剂，单氰
胺、双氰胺和三聚氰胺 作为聚合前驱体
• 多孔g-C3N4 呈絮状和 片状，表面有气泡状突 起及凹陷，厚度薄；
• 具有多孔结构和高比表 面积家；
• 制备方法简单、环保、 不会残留其他杂质；
C3N4聚合物光催化材料 性能提升的探索
室外空气污染的严重性
清华大学环境与能源催化实验室
制约健康的室内污染
• 我国每年由室内空 气污染引起的非正 常死亡人数达11.1万 人
• 有68%的疾病是室 内污染造成的。
• 建筑材料 • 装饰材料 • 人的活动 • 室外污染物
清华大学环境与能源催化实验室
难以寻觅到清纯的流水
清华大学环境与能源催化实验室
光催化的应用前景
家居内部
窗帘 、镜子、室内建材
居房外部
日光灯
太阳能利用
瓷砖, 玻璃, 涂料, 帐篷
光解水制氢
铝面板
CO2 的光还原
医疗器械及外设
医用导管
光催化剂
手术室 空气净化
+ 光照
汽车业
汽车镜、外涂料
空气净化器
二恶英降解
公路行业
水净化 环境激素降解 有机氯化物的降解
比表面积和孔分布
V /cm3 g-1 ads
孔 体积/cm3g-1nm-1
多孔结构提高 C3N4的光催化性能
Langmuir， 2013, 29, 10566 Applied Catalysis B: Environmental，2014, 147,229
多孔g-C3N4研究进展
Fukasawa Y, et al. Chem Asian J, 2011, 6, 103. Park S S, et al. J Mater Chem, 2011, 21, 10801. Jun Y S, et al. Adv Mater, 2009, 21, 4270. Lee E Z, et al. Angew Chem Int Ed, 2010, 49, 9706. Chen X, et al. Chem Mater, 2009, 21, 4093. Groenewolt M,et al. Adv Mater, 2005, 17, 1789.
Ref:国家环境保护总局.《长江三峡工程生态与环境监测公报》
清华大学环境与能源催化实验室
光催化技术的优势
1. 常温省能源：仅需低功率UV光源，不 需要加温；可以直接利用太阳光
2. 杀菌广普和能力强，无耐药性 3. 有毒有机物的彻底矿化，均可降解 4. 效率高，寿命长 5. 维护简单，运行费用底 6. 无污染，无毒，卫生安全
内容提要
• 纳米结构提高C3N4光催化活性
多孔结构、纳米片，纳米棒，量子点
• 价带调控提高C3N4光催化矿化能力和活性
C60，P3HT，TCNQ
• 核壳结构及掺杂提高C3N4光催化性能
C3N4@Ag，K掺杂
• 表面杂化结构提高光催化性能
C3N4@ZnO、C3N4@Bi2WO6、C3N4@BiPO4
光催化制氢 降解污染物 有机反应
提高g-C3N4的光催化性能
ห้องสมุดไป่ตู้
如何提
贵金属 沉积
高光催 化性能
形貌 调控
半导体 复合
元素 掺杂
Wang X C, et al. J Am Chem Soc, 2009, 131, 1680. Maeda K, et al. J Phys Chem C, 2009, 113, 4940. Liu G, et al. J Am Chem Soc, 2010, 132, 11642. Liao G Z, et al. J Mater Chem, 2012, 22, 2721.
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农残家水业留禽培农饲室药养净降场化解所除臭隧公隔NO道路音x照上墙的明用清灯镜除
光催化环境应用的关键问题
光催化应用于环境净化 存在问题
太阳能利用率低 电子空穴复合几率高
低浓度、难降解污染物
Fox M A, et al. Chem Rev, 1993, 93, 341. Hoffmann M R, et al. Chem Rev, 1995, 95, 69.
纳米结构提高光催化性能
• 多孔结构 • 单分子层纳米片结构
• 纳米棒结构 • 化学剪切量子点
普通 g-C3N4
形貌调控
纳米结构 g-C3N4
比表面积小 粒径大 量子产率低 光催化性能差
几何尺寸小、比表面积大
光生电子空穴从体相内迁移
到表面的时间短
光生电子空穴复合的几率低
光催化性能好
11
0
0.000
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
P/P 0
2 10 30 50 70 90 98
孔 径/nm
样品名 比表面积
孔体积
(m2g-1)
(cm3g-1)
4:1-8
29.5
0.170
4:1-6
25.7
0.148
4:1-4
23.6
0.125
4:1-2
23.1
0.123
升温速率越快，比表面积越高，孔体积越大
• 光电协同催化提高C3N4光催化降解性能
2020/2/5
清华大学化学系
8
石墨结构C3N4的光催化应用
类石墨相氮化碳(g-C3N4)
共轭材料g-C3N4 优异半导体特性
可见光响应
载流子传输能力强 光生电子-空穴的 快速分离和迁移
Wang X C, et al. Nat Mater, 2009, 8, 76. Chen X, et al. J Am Chem Soc, 2009, 131, 11658. Goettmann F, et al. Angew Chem Int Edit, 2007, 46, 2717.
染料废水：主要工业废水之一，其毒性大，色泽深，严重危 害了生态环境。
农药污染：我国每年农药产量大约20万吨，还从国外进口农 药75万吨。通过喷施、地表径流及农药工厂的废水排入水体 中
洗涤剂污染：每年大量的洗涤剂进入水体，并难以降解； 工业污水：煤化工、石油化工、化工废水、矿山废水等；