g-C3N4/ZnO體系的結構及光催化性能研究

黎煒慧 黃俊翔 楊金 戴會鴻 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射線衍射測試結果顯示隨著體系中ZnO含量的增加，樣品的衍射峰有向高角度偏移的趨勢。使用掃描電鏡觀測了不同放大倍數下的樣品形貌，觀察到了結合在一起的絮狀結構g-C3N4和具有規則外形的ZnO晶粒。發現mol比為1：1的g-C3N4/ZnO樣品對亞甲基藍的光催化降解性能較好。

關鍵詞：g-C3N4;ZnO;X射線衍射;掃描電鏡;光催化

中圖分類號：O78;O643.36 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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，對空氣、水以及固體污染物的處理研究越來越深入。根據世界衛生組織的相關報道，空氣污染物主要指室外和室內空氣中包含的有機或無機化學污染物[1-4]。氣態的有機和無機化學污染物主要包括有機揮發物、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和無機污染物，病原體類污染物等。病原體類污染物主要包括細菌、病毒、菌類物等。上述污染物大部分來自于化石燃料的生產、燃燒消費過程。因此，為了降低環境污染，在環境友好型材料的應用研究、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。研究的重點集中在尋找更高效的降解催化劑，以及降解機理的研究等領域[5-7]。

由于具有力學性能強、熱穩定性高，以及具有二維層狀結構等優點，石墨相的g-C3N4在光催化降解方面得到了廣泛應用，禁帶寬度約為2.7eV其價帶頂和導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體材料，室溫下的禁帶寬度約為3.2eV，其價帶頂和導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，引入第二相構建固熔體，以及不同半導體之間的復合等[8，9]。而納米材料可以有效地提高體系的表面積，同時由于小尺度效應，晶粒中的等離子體振蕩效應等均有利于光催化效果的提升。因此，本文將構建g-C3N4和納米ZnO的半導體復合體系，并使用X射線衍射分析儀測試樣品的物相結構，使用掃描電鏡測試樣品表面形貌，并結合樣品的光降解性能分析降解效率與不同比例配合的關系。

1 ?實驗

實驗以分析純的硝酸鋅、葡萄糖、丙烯酰胺、亞甲基雙丙烯酰胺為反應原料，按照0.02mol的量使用電子分析天平進行稱量。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混合均勻后在馬弗爐中燒結得到最終樣品。使用DX-2700型X射線衍射儀對樣品進行物相結構研究，儀器參數設置為掃描角度為20°～80°，步進角度為0.03°，步進時間為0.05s。使用JSM-5600LV型掃描電鏡對樣品表面的微觀形貌和晶粒形狀大小進行觀察，其分辨率為20μm，掃描長度為9.8mm，測試電壓為20.0Kv。利用紫外可見光譜儀測定樣品對亞甲基藍的降解速率。

2 ?測試結果及分析

2.1 ?XRD測試物相結構分析

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進行充分混合燒結后進行XRD測試，圖1為實驗獲得樣品的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了g-C3N4粉體的特征衍射峰，在2θ角度為27.4處出現了g-C3N4的（002）晶面的強衍射峰。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。通過JADE軟件進行數據庫的比對分析，發現與ZnO的標準JCPDS卡片（No.36-1451）比較，標準圖譜均2θ為31.92°、34.58°、36.42°、47.70°、56.74°、63.02°、66.54°、68.08°、69.22°等位置出現特征衍射峰，分別對應（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（112）、（201）晶相。而樣品出現特征衍射峰的位置與上述標準值相比較稍有偏離，并且衍射峰有向高角度偏移的趨勢。同時，g-C3N4晶相的特征峰強度隨體系中ZnO含量的提升而逐漸減弱，表明實驗過程中g-C3N4的結晶程度受到了削弱。

2.2 ?SEM測試表面形貌分析

圖2所示為實驗所制備的樣品的SEM照片，圖中的標尺依次為5μm、2μm。在標尺為5μm的左圖中可以明顯看見呈現絮狀結構的為g-C3N4，在其中出現了明顯有規則外形的ZnO晶粒。隨著放大倍數的提高，在標尺為2μm的右圖中可以明顯看見絮狀結構的g-C3N4和與之結合的具規則外形的ZnO晶粒。該現象表明兩種物質之間有一定的相互作用，構成了完整的樣品體系。

2.3 ?體系的光催化性能分析

實驗通過在紫外光下降解亞甲基藍來分析樣品的光降解性能，圖3為實驗擬合的降解曲線。

8號～10號曲線對應樣品是g-C3N4與ZnO的配比，分別為mol比1：1，0.25：1，0.05：1。發現隨著ZnO含量的提升，有助于提高體系的光降解性能。在10分鐘內，g-C3N4與ZnO體系的降解性能比較好，在配比為1：1時降解率可達60%。之后體系的降解性能下降，不過在2h內均可實現全部降解。在體系中，g-C3N4為主體時，由于g-C3N4為層狀結構，通過光照產生的非平衡載流子主要在樣品表面進行復合，這種復合機制居主要地位。隨著ZnO含量的提升，由于兩種物質之間導帶和價帶能量高低差異，在兩者之間會發生載流子的復合，這種方式主要在兩種物質的交界界面處發生，因此對污染物的降解作用與ZnO的表面積有關系，所以，ZnO納米尺寸的大小調控是一個關鍵的問題。另外，在以ZnO為主體時通過改變g-C3N4的含量調控對污染物的降解性能需要進一步考慮。

3 ?結 ?論

本實驗制備了不同mol配比的ZnO與g-C3N4樣品。使用DX2700進行了X射線衍射測試，測試結果表明隨著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。使用掃描電鏡觀測樣品的微觀形貌，在不同放大倍數下觀測到ZnO晶粒以及絮狀結構的g-C3N4粉體。通過對亞甲基藍的降解實驗發現當ZnO與g-C3N4的mol比為1：1時降解性能較好。

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作者簡介：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，材料物理與化學專業博士研究生，研究方向：光電信息材料。