作者：2017級本科生 許晨陽 環(huán)境學院
指導老師：黃霞教授 環(huán)境學院
關鍵詞：光電催化功能膜；靜電紡絲；光電協(xié)同降解機理
摘要
傳統(tǒng)的負載態(tài)的光催化體系面臨著傳質(zhì)效率低與電子-空穴復合率高的問題，因而難以實現(xiàn)污染物的高效降解。具備光、電催化功能的新型膜材料可以通過水流跨膜流動強化傳質(zhì)，外加偏壓促進電子與空穴分離，進而改善上述問題，提高降解效率。但前人在制備光電催化功能膜時主要使用的是抽濾法，此方法制備的功能膜穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生催化劑的脫落。為解決這一問題，本研究探索出了一種采用靜電紡絲制備g-C3N4/PAN纖維膜，而后通過碳化得到具備光電催化功能的g-C3N4/C膜的技術方法，并對其進行了材料表征與光電催化效果的探究，以希望制備一種能夠高效、穩(wěn)定降解污染物的光電功能膜材料。
材料表征的結果表明，g-C3N4/C膜呈纖維狀態(tài)良好，屬于微濾膜的范疇，且具有一定的光電反應活性。在降解測試方面，本研究選用了普萘洛爾（PRO）溶液測試光電催化功能膜對于污染物的去除效果。降解實驗表明，當使用強度為200 mW/cm2的模擬太陽光,外加2V偏壓時，光電催化1h對于PRO的去除率達到73% , 接近光催化與電催化之和，且速率常數(shù)顯著大于兩者之和，表明二者之間存在協(xié)同互促。進一步進行連續(xù)10周期實驗則表明，本研究中制備的光電催化功能膜除了具有高效的降解能力外，還具備良好的穩(wěn)定性。此外，本研究還探究了光強與偏壓對于光電催化的影響，發(fā)現(xiàn)在分別對應正午與日間平均的光照強度下，光電催化同樣表現(xiàn)出較好的降解效果。且調(diào)整電壓后去除率可進一步上升至95%。
為進一步解釋光電反應中協(xié)同互促的機理，本研究還進行了活性物種捕獲實驗，解釋了光電催化互促的機理在于產(chǎn)生了羥基自由基，并創(chuàng)新性的發(fā)現(xiàn)在光電催化中，外偏壓的存在可以提高g-C3N4的空穴氧化活性，使得原本氧化活性較低的g-C3N4也能產(chǎn)羥基自由基。
研究背景
傳統(tǒng)的負載態(tài)的光催化體系面臨著傳質(zhì)效率低與電子-空穴復合率高的問題，因而難以實現(xiàn)污染物的高效降解。具備光電催化功能的新型膜材料可以通過水流跨膜流動強化傳質(zhì)，外加偏壓促進電子與空穴分離，進而改善上述問題，提高降解效率。但由于前人使用抽濾等方法制備光電功能膜，易發(fā)生催化劑泄露等問題。為解決這一問題。本研究探索出一種采用靜電紡絲制備g-C3N4/PAN膜，而后碳化得到具備光電催化功能的g-C3N4/C膜的技術方法，并對g-C3N4 /C膜進行了表征與光電催化效果的探究。
材料制備
采用尿素高溫燒結的方法制備了可見光催化劑g-C3N4，進一步通過靜電紡絲的方法制備了g-C3N4 /PAN纖維膜，通過碳化后得到了具備光電催化功能的g-C3N4/C光電催化功能膜（圖1）
圖1 g-C3N4 /C光電催化功能膜的制備流程
降解效果
g-C3N4/C光電催化功能膜在200mW/cm2模擬太陽光和2V偏壓下1h降解10ppm難降解有機污染物普萘洛爾（PRO）達到75%，接近光催化與電催化之和，速率常數(shù)遠大于光催化與電催化之和。調(diào)整偏壓和光強發(fā)現(xiàn)，在相當于正午太陽光強的100mW/cm2的條件下，光電催化仍具有較強的降解效果，且進一步調(diào)整偏壓后，降解率可上升至95%。連續(xù)運行試驗則證明，電紡法制備的光電催化功能膜具有較好的連續(xù)穩(wěn)定性。
圖2光電催化與光、電催化的降解效果對比；b. 速率常數(shù)對比
圖3不同光強對于光電催化的影響；b. 不同偏壓對于光電催化的影響； c. 連續(xù)運行實驗結果
機理探究
捕獲劑實驗證明，光電互促的機制在于外加偏壓促進了陽極空穴的積累并轉化為羥基自由基，這一現(xiàn)象在基于g-C3N4的光催化反應中并不常見。
圖4 .a. 加入捕獲劑對于光電催化的影響；b.加入捕獲劑對于電催化的影響； c. 光電互促機理的圖示
