作者：2017级本科生 许晨阳 环境学院

指导老师：黄霞教授 环境学院

关键词：光电催化功能膜；静电纺丝；光电协同降解机理

摘要

传统的负载态的光催化体系面临着传质效率低与电子-空穴复合率高的问题，因而难以实现污染物的高效降解。具备光、电催化功能的新型膜材料可以通过水流跨膜流动强化传质，外加偏压促进电子与空穴分离，进而改善上述问题，提高降解效率。但前人在制备光电催化功能膜时主要使用的是抽滤法，此方法制备的功能膜稳定性较差，容易发生催化剂的脱落。为解决这一问题，本研究探索出了一种采用静电纺丝制备g-C₃N₄/PAN纤维膜，而后通过碳化得到具备光电催化功能的g-C₃N₄/C膜的技术方法，并对其进行了材料表征与光电催化效果的探究，以希望制备一种能够高效、稳定降解污染物的光电功能膜材料。

材料表征的结果表明，g-C₃N₄/C膜呈纤维状态良好，属于微滤膜的范畴，且具有一定的光电反应活性。在降解测试方面，本研究选用了普萘洛尔（PRO）溶液测试光电催化功能膜对于污染物的去除效果。降解实验表明，当使用强度为200 mW/cm2的模拟太阳光,外加2V偏压时，光电催化1h对于PRO的去除率达到73% , 接近光催化与电催化之和，且速率常数显著大于两者之和，表明二者之间存在协同互促。进一步进行连续10周期实验则表明，本研究中制备的光电催化功能膜除了具有高效的降解能力外，还具备良好的稳定性。此外，本研究还探究了光强与偏压对于光电催化的影响，发现在分别对应正午与日间平均的光照强度下，光电催化同样表现出较好的降解效果。且调整电压后去除率可进一步上升至95%。

为进一步解释光电反应中协同互促的机理，本研究还进行了活性物种捕获实验，解释了光电催化互促的机理在于产生了羟基自由基，并创新性的发现在光电催化中，外偏压的存在可以提高g-C₃N₄的空穴氧化活性，使得原本氧化活性较低的g-C₃N₄也能产羟基自由基。

研究背景

传统的负载态的光催化体系面临着传质效率低与电子-空穴复合率高的问题，因而难以实现污染物的高效降解。具备光电催化功能的新型膜材料可以通过水流跨膜流动强化传质，外加偏压促进电子与空穴分离，进而改善上述问题，提高降解效率。但由于前人使用抽滤等方法制备光电功能膜，易发生催化剂泄露等问题。为解决这一问题。本研究探索出一种采用静电纺丝制备g-C₃N₄/PAN膜，而后碳化得到具备光电催化功能的g-C₃N₄/C膜的技术方法，并对g-C3N4 /C膜进行了表征与光电催化效果的探究。

材料制备

采用尿素高温烧结的方法制备了可见光催化剂g-C₃N₄，进一步通过静电纺丝的方法制备了g-C₃N₄ /PAN纤维膜，通过碳化后得到了具备光电催化功能的g-C₃N₄/C光电催化功能膜（图1）

图1 g-C₃N₄ /C光电催化功能膜的制备流程

降解效果

g-C₃N₄/C光电催化功能膜在200mW/cm²模拟太阳光和2V偏压下1h降解10ppm难降解有机污染物普萘洛尔（PRO）达到75%，接近光催化与电催化之和，速率常数远大于光催化与电催化之和。调整偏压和光强发现，在相当于正午太阳光强的100mW/cm²的条件下，光电催化仍具有较强的降解效果，且进一步调整偏压后，降解率可上升至95%。连续运行试验则证明，电纺法制备的光电催化功能膜具有较好的连续稳定性。

图2光电催化与光、电催化的降解效果对比；b. 速率常数对比

图3不同光强对于光电催化的影响；b. 不同偏压对于光电催化的影响； c. 连续运行实验结果

机理探究

捕获剂实验证明，光电互促的机制在于外加偏压促进了阳极空穴的积累并转化为羟基自由基，这一现象在基于g-C₃N₄的光催化反应中并不常见。

图4 .a. 加入捕获剂对于光电催化的影响；b.加入捕获剂对于电催化的影响； c. 光电互促机理的图示