g-C3N4/ZnO體系的結(jié)構(gòu)及光催化性能研究

黎煒慧 黃俊翔 楊金 戴會(huì)鴻 黃毅

摘 ?要：本文制備了不同mol配比的g-C3N4/ZnO樣品，通過X射線衍射、掃描電鏡、光催化降解等測(cè)試方法研究了樣品的物相組成、微觀形貌和降解性能。X射線衍射測(cè)試結(jié)果顯示隨著體系中ZnO含量的增加，樣品的衍射峰有向高角度偏移的趨勢(shì)。使用掃描電鏡觀測(cè)了不同放大倍數(shù)下的樣品形貌，觀察到了結(jié)合在一起的絮狀結(jié)構(gòu)g-C3N4和具有規(guī)則外形的ZnO晶粒。發(fā)現(xiàn)mol比為1：1的g-C3N4/ZnO樣品對(duì)亞甲基藍(lán)的光催化降解性能較好。

關(guān)鍵詞：g-C3N4;ZnO;X射線衍射;掃描電鏡;光催化

中圖分類號(hào)：O78;O643.36 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）16-0033-03

Abstract：In this paper，g-C3N4/ZnO samples with different mol ratios were prepared. The phase composition，morphology and degradation performance of the samples were studied by X-ray diffraction，scanning electron microscopy and photocatalytic degradation. The X-ray diffraction results show that the diffraction peaks of the samples tend to shift to high angles with the increase of ZnO content in the system. The morphology of samples at different magnification was observed by scanning electron microscopy. The flocculent structure g-C3N4 and the regular shape of ZnO grains were observed. It was found that the g-C3N4/ZnO sample with mol ratio of 1：1 had better photocatalytic degradation of methylene blue.

Keywords：g-C3N4;ZnO;X-ray diffraction;scanning electron microscope;photocatalytic

0 ?引 ?言

目前，對(duì)空氣、水以及固體污染物的處理研究越來越深入。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的相關(guān)報(bào)道，空氣污染物主要指室外和室內(nèi)空氣中包含的有機(jī)或無機(jī)化學(xué)污染物[1-4]。氣態(tài)的有機(jī)和無機(jī)化學(xué)污染物主要包括有機(jī)揮發(fā)物、一氧化碳、氮化物、硫化物等。顆粒狀污染物主要指固體的有機(jī)和無機(jī)污染物，病原體類污染物等。病原體類污染物主要包括細(xì)菌、病毒、菌類物等。上述污染物大部分來自于化石燃料的生產(chǎn)、燃燒消費(fèi)過程。因此，為了降低環(huán)境污染，在環(huán)境友好型材料的應(yīng)用研究、污染物的降解處理等幾方面的研究日益重要。在污染物的降解處理方面，光催化降解就是一種有效的處理污染物的方式。研究的重點(diǎn)集中在尋找更高效的降解催化劑，以及降解機(jī)理的研究等領(lǐng)域[5-7]。

由于具有力學(xué)性能強(qiáng)、熱穩(wěn)定性高，以及具有二維層狀結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，石墨相的g-C3N4在光催化降解方面得到了廣泛應(yīng)用，禁帶寬度約為2.7eV其價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底的能量值分別為-0.9eV和1.8eV。ZnO作為一種直接能隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度約為3.2eV，其價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底的能量值分別為0.21eV和3.41eV。為了提高光催化效率，目前常用的策略是控制晶粒的粒度尺寸，摻雜改變禁帶寬度，引入第二相構(gòu)建固熔體，以及不同半導(dǎo)體之間的復(fù)合等[8，9]。而納米材料可以有效地提高體系的表面積，同時(shí)由于小尺度效應(yīng)，晶粒中的等離子體振蕩效應(yīng)等均有利于光催化效果的提升。因此，本文將構(gòu)建g-C3N4和納米ZnO的半導(dǎo)體復(fù)合體系，并使用X射線衍射分析儀測(cè)試樣品的物相結(jié)構(gòu)，使用掃描電鏡測(cè)試樣品表面形貌，并結(jié)合樣品的光降解性能分析降解效率與不同比例配合的關(guān)系。

1 ?實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以分析純的硝酸鋅、葡萄糖、丙烯酰胺、亞甲基雙丙烯酰胺為反應(yīng)原料，按照0.02mol的量使用電子分析天平進(jìn)行稱量。將原料依次溶于去離子水中形成溶液，并使用磁力攪拌器在水浴加熱條件下攪拌均勻得到白色濕凝膠，干燥后放置在馬弗爐中在600℃～700℃燒結(jié)4h～5h，即得到納米ZnO粉末樣品。將適量的尿素裝入剛玉坩堝，使用馬弗爐在650℃下保持一定分解時(shí)間，得到淡黃色g-C3N4樣品。按照不同配比將兩種樣品放入球磨機(jī)混合均勻后在馬弗爐中燒結(jié)得到最終樣品。使用DX-2700型X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)研究，儀器參數(shù)設(shè)置為掃描角度為20°～80°，步進(jìn)角度為0.03°，步進(jìn)時(shí)間為0.05s。使用JSM-5600LV型掃描電鏡對(duì)樣品表面的微觀形貌和晶粒形狀大小進(jìn)行觀察，其分辨率為20μm，掃描長(zhǎng)度為9.8mm，測(cè)試電壓為20.0Kv。利用紫外可見光譜儀測(cè)定樣品對(duì)亞甲基藍(lán)的降解速率。

2 ?測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 ?XRD測(cè)試物相結(jié)構(gòu)分析

將制備得到的ZnO與g-C3N4粉體按照mol比分別為0.025：1，1：1，1：0.75，1：0.5，1：0.25，1：0.1，1：0.075，1：0.05，1：0.025進(jìn)行充分混合燒結(jié)后進(jìn)行XRD測(cè)試，圖1為實(shí)驗(yàn)獲得樣品的XRD圖譜。在圖1中最上方的0.025：1，1：1和1：0.75三條譜線中明顯出現(xiàn)了g-C3N4粉體的特征衍射峰，在2θ角度為27.4處出現(xiàn)了g-C3N4的（002）晶面的強(qiáng)衍射峰。隨著體系中ZnO含量的提升，屬于ZnO晶相的特征衍射峰逐步顯現(xiàn)。通過JADE軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)與ZnO的標(biāo)準(zhǔn)JCPDS卡片（No.36-1451）比較，標(biāo)準(zhǔn)圖譜均2θ為31.92°、34.58°、36.42°、47.70°、56.74°、63.02°、66.54°、68.08°、69.22°等位置出現(xiàn)特征衍射峰，分別對(duì)應(yīng)（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（112）、（201）晶相。而樣品出現(xiàn)特征衍射峰的位置與上述標(biāo)準(zhǔn)值相比較稍有偏離，并且衍射峰有向高角度偏移的趨勢(shì)。同時(shí)，g-C3N4晶相的特征峰強(qiáng)度隨體系中ZnO含量的提升而逐漸減弱，表明實(shí)驗(yàn)過程中g(shù)-C3N4的結(jié)晶程度受到了削弱。

2.2 ?SEM測(cè)試表面形貌分析

圖2所示為實(shí)驗(yàn)所制備的樣品的SEM照片，圖中的標(biāo)尺依次為5μm、2μm。在標(biāo)尺為5μm的左圖中可以明顯看見呈現(xiàn)絮狀結(jié)構(gòu)的為g-C3N4，在其中出現(xiàn)了明顯有規(guī)則外形的ZnO晶粒。隨著放大倍數(shù)的提高，在標(biāo)尺為2μm的右圖中可以明顯看見絮狀結(jié)構(gòu)的g-C3N4和與之結(jié)合的具規(guī)則外形的ZnO晶粒。該現(xiàn)象表明兩種物質(zhì)之間有一定的相互作用，構(gòu)成了完整的樣品體系。

2.3 ?體系的光催化性能分析

實(shí)驗(yàn)通過在紫外光下降解亞甲基藍(lán)來分析樣品的光降解性能，圖3為實(shí)驗(yàn)擬合的降解曲線。

8號(hào)～10號(hào)曲線對(duì)應(yīng)樣品是g-C3N4與ZnO的配比，分別為mol比1：1，0.25：1，0.05：1。發(fā)現(xiàn)隨著ZnO含量的提升，有助于提高體系的光降解性能。在10分鐘內(nèi)，g-C3N4與ZnO體系的降解性能比較好，在配比為1：1時(shí)降解率可達(dá)60%。之后體系的降解性能下降，不過在2h內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)全部降解。在體系中，g-C3N4為主體時(shí)，由于g-C3N4為層狀結(jié)構(gòu)，通過光照產(chǎn)生的非平衡載流子主要在樣品表面進(jìn)行復(fù)合，這種復(fù)合機(jī)制居主要地位。隨著ZnO含量的提升，由于兩種物質(zhì)之間導(dǎo)帶和價(jià)帶能量高低差異，在兩者之間會(huì)發(fā)生載流子的復(fù)合，這種方式主要在兩種物質(zhì)的交界界面處發(fā)生，因此對(duì)污染物的降解作用與ZnO的表面積有關(guān)系，所以，ZnO納米尺寸的大小調(diào)控是一個(gè)關(guān)鍵的問題。另外，在以ZnO為主體時(shí)通過改變g-C3N4的含量調(diào)控對(duì)污染物的降解性能需要進(jìn)一步考慮。

3 ?結(jié) ?論

本實(shí)驗(yàn)制備了不同mol配比的ZnO與g-C3N4樣品。使用DX2700進(jìn)行了X射線衍射測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明隨著ZnO含量的提高，樣品的衍射圖譜中各特征譜峰有向高角度偏移的趨勢(shì)。使用掃描電鏡觀測(cè)樣品的微觀形貌，在不同放大倍數(shù)下觀測(cè)到ZnO晶粒以及絮狀結(jié)構(gòu)的g-C3N4粉體。通過對(duì)亞甲基藍(lán)的降解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)ZnO與g-C3N4的mol比為1：1時(shí)降解性能較好。

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作者簡(jiǎn)介：黎煒慧（1995-），女，漢族，廣東新興人，本科

在讀，研究方向：光電信息材料;通訊作者：黃毅（1973-），男，漢族，四川南部人，副教授，材料物理與化學(xué)專業(yè)博士研究生，研究方向：光電信息材料。