CdS/g-C3N4复合光催化剂的合成及催化机理研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0369

摘要/Abstract

摘要：

以三聚氰胺为原料，通过烧结-超声两步法制备了g-C₃N₄黄色粉末；再以所制备g-C₃N₄、硫化钠和乙酸镉为原料，采用水热法成功制备出了CdS纳米颗粒包裹g-C₃N₄片层结构的CdS/g-C₃N₄复合光催化剂。采用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、紫外可见漫反射（UV-Vis-DRS）、X射线荧光光谱（XRF）、X射线光电子能谱（XPS）等对CdS、g-C₃N₄和CdS/g-C₃N₄复合光催化剂进行物相组成、微观形貌及物化性能表征。测试结果表明：所制备CdS的微观形貌为纳米颗粒结构，g-C₃N₄为片层结构；在CdS/g-C₃N₄复合材料中，g-C₃N₄片层周围包裹着不规则颗粒CdS，二者紧密结合成了一个整体的复合粉体颗粒。以罗丹明B为目标降解物，以氙灯模拟可见光光源，测试CdS、g-C₃N₄和CdS/g-C₃N₄复合材料的光催化性能。结果表明，CdS/g-C₃N₄复合光催化剂具有良好的光催化性能，当CdS和g-C₃N₄质量比为1∶5时，复合材料的光催化活性要明显强于单一CdS或g-C₃N₄样品的催化活性，光照40 min后罗丹明B的降解率可达93.7%，降解过程符合一级动力学方程，其降解速率为6.6×10^-2min^-1。通过捕获实验分析得到光降解罗丹明B的主要活性基团为羟基自由基，基于机理和降解结果分析，推测CdS和g-C₃N₄之间应该是形成了Z型异质结。

关键词: CdS/g-C₃N₄, 光催化, 水热法, 合成, 催化机理

Abstract:

g-C₃N₄ yellow powder was prepared by sintering and ultrasonic two-step method using melamine as raw material.Then the CdS/g-C₃N₄ composite photocatalyst with CdS nanoparticles coated to g-C₃N₄ layer structure was successfully prepared by hydrothermal method using the prepared g-C₃N₄，sodium sulfide and cadmium acetate as raw materials.The phase composition，microstructure，physical and chemical properties of CdS，g-C₃N₄ and CdS/g-C₃N₄ composite photocatalysts were characterized by X-ray diffraction（XRD），field emission scanning electron microscopy（FE-SEM），ultraviolet-visible-infrared diffuse reflectance spectroscopy（UV-Vis-DRS），X-ray fluorescence spectroscopy（XRF）and X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）.The test results showed that the microstructure of prepared CdS was nanoparticle and g-C₃N₄ was lamellar structure.In the CdS/g-C₃N₄ composite materials，the g-C₃N₄ layer was surrounded by irregular CdS particles，g-C₃N₄ and CdS were closely combined into a whole composite powder particles.The photocatalytic properties of CdS，g-C₃N₄ and CdS/g-C₃N₄ composites were tested using Rhodamine B as target degradation material and xenon lamp as light source.The results showed that CdS/g-C₃N₄ composite photocatalyst had good photocatalytic performance，when the mass ratio of CdS to g-C₃N₄ was 1∶5，the photocatalytic activity of the composite was significantly stronger than that of single CdS or g-C₃N₄ sample.The degradation rate of Rhodanine B reached 93.7% after 40 min illumination，which was in line with the first-order kinetic equation，and the degradation rate was 6.6×10^-2 min^-1.The main active free radical for photodegradation of Rhodamine B was hydroxyl free radical.Based on the mechanism and degradation results，it was speculated that Z-type heterojunction should be formed between CdS and g-C₃N₄.

Key words: CdS/g-C₃N₄, photocatalysis, hydrothermal method, synthesis, catalytic mechanism

中图分类号:

TQ127.1

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