g-C3N4/ZnO体系的结构及光催化性能研究

材料的应用研究、污染物的降解处理等几方面的研究日益重要。在污染物的降解处理方面，光催化降解就是一种有效的处理污染物的方式。研究的重点集中在寻找更高效的降解催化剂，以及降解机理的研究等领域[5-7]。

由于具有力学性能强、热稳定性高，以及具有二维层状结构等优点，石墨相的g-C3N4在光催化降解方面得到了广泛应用，禁带宽度约为2.7eV其价带顶和导带底的能量值分别为-0.9eV和1.8eV。ZnO作为一种直接能隙宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度约为3.2eV，其价带顶和导带底的能量值分别为0.21eV和3.41eV。为了提高光催化效率，目前常用的策略是控制晶粒的粒度尺寸，掺杂改变禁带宽度，引入第二相构建固熔体，以及不同半导体之间的复合等[8，9]。而纳米材料可以有效地提高体系的表面积，同时由于小尺度效应，晶粒中的等离子体振荡效应等均有利于光催化效果的提升。因此，本文将构建g-C3N4和纳米ZnO的半导体复合体系，并使用X射线衍射分析仪测试样品的物相结构，使用扫描电镜测试样品表面形貌，并结合样品的光降解性能分析降解效率与不同比例配合的关系。

1  实验

实验以分析纯的硝酸锌、葡萄糖、丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺为反应原料，按照0.02mol的量使用电子分析天平进行称量。将原料依次溶于去离子水中形成溶液，并使用磁力搅拌器在水浴加热条件下搅拌均匀得到白色湿凝胶，干燥后放置在马弗炉中在600℃～700℃烧结4h～5h，即得到纳米ZnO粉末样品。将适量的尿素装入刚玉坩埚，使用马弗炉在650℃下保持一定分解时间，得到淡黄色g-C3N4样品。按照不同配比将两种样品放入球磨机混合均匀后在马弗炉中烧结得到最终样品。使用DX-2700型X射线衍射仪对样品进行物相结构研究，仪器参数设置为扫描角度为20°～80°，步进角度为0.03°，步进时间为0.05s。使用JSM-5600LV型扫描电镜对样品表面的微观形貌和晶粒形状大小进行观察，其分辨率为20µm，扫描长度为9.8mm，测试电压为20.0Kv。利用紫外可见光谱仪测定样品对亚甲基蓝的降解速率。

2  测试结果及分析

2.1  XRD测试物相结构分析

将制备得到的ZnO与g-C3N4粉体按照mol比分别为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进行充分混合烧结后进行XRD测试，图1为实验获得样品的XRD图谱。在图1中最上方的0.025：1，1：1和1：0.75三条谱线中明显出现了g-C3N4粉体的特征衍射峰，在2θ角度为27.4处出现了g-C3N4的（002）晶面的强衍射峰。随着体系中ZnO含量的提升，属于ZnO晶相的特征衍射峰逐步显现。通过JADE软件进行数据库的比对分析，发现与ZnO的标准JCPDS卡片（No.36-1451）比较，标准图谱均2θ为31.92°、34.58°、36.42°、47.70°、56.74°、63.02°、66.54°、68.08°、69.22°等位置出现特征衍射峰，分别对应（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（112）、（201）晶相。而样品出现特征衍射峰的位置与上述标准值相比较稍有偏离，并且衍射峰有向高角度偏移的趋势。同时，g-C3N4晶相的特征峰强度随体系中ZnO含量的提升而逐渐减弱，表明实验过程中g-C3N4的结晶程度受到了削弱。

2.2  SEM测试表面形貌分析

图2所示为实验所制备的样品的SEM照片，图中的标尺依次为5μm、2μm。在标尺为5μm的左图中可以明显看见呈现絮状结构的为g-C3N4，在其中出现了明显有规则外形的ZnO晶粒。随着放大倍数的提高，在标尺为2μm的右图中可以明显看见絮状结构的g-C3N4和与之结合的具规则外形的ZnO晶粒。该现象表明两种物质之间有一定的相互作用，构成了完整的样品体系。

2.3  体系的光催化性能分析

实验通过在紫外光下降解亚甲基蓝来分析样品的光降解性能，图3为实验拟合的降解曲线。

8号～10号曲线对应样品是g-C3N4与ZnO的配比，分别为mol比1：1，0.25：1，0.05：1。发现随着ZnO含量的提升，有助于提高体系的光降解性能。在10分钟内，g-C3N4与ZnO体系的降解性能比较好，在配比为1：1时降解率可达60%。之后体系的降解性能下降，不过在2h内均可实现全部降解。在体系中，g-C3N4为主体时，由于g-C3N4为层状结构，通过光照产生的非平衡载流子主要在样品表面进行复合，这种复合机制居主要地位。随着ZnO含量的提升，由于两种物质之间导带和价带能量高低差异，在两者之间会发生载流子的复合，这种方式主要在两种物质的交界界面处发生，因此对污染物的降解作用与ZnO的表面积有关系，所以，ZnO纳米尺寸的大小调控是一个关键的问题。另外，在以ZnO为主体时通过改变g-C3N4的含量调控对污染物的降解性能需要进一步考虑。

3  结  论

本实验制备了不同mol配比的ZnO与g-C3N4样品。使用DX2700进行了X射线衍射测试，测试结果表明随着ZnO含量的提高，样品的衍射图谱中各特征谱峰有向高角度偏移的趋势。使用扫描电镜观测样品的微观形貌，在不同放大倍数下观测到ZnO晶粒以及絮状结构的g-C3N4粉体。通过对亚甲基蓝的降解实验发现当ZnO与g-C3N4的mol比为1：1时降解性能较好。

参考文献：

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作者簡介：黎炜慧（1995-），女，汉族，广东新兴人，本科

在读，研究方向：光电信息材料;通讯作者：黄毅（1973-），男，汉族，四川南部人，副教授，材料物理与化学专业博士研究生，研究方向：光电信息材料。

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