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(jié)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(jié)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(jié)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(zhuǎn)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
