WS2/g-C3N4的制备及其光催化性能的研究开题报告

1. 研究目的与意义

当前，为了满足经济的快速发展和日常生活交通的便利，每天都有大量的化石燃料在消耗，化石燃料的燃烧产生了大量难以降解的有机污染物，对环境造成了极大的污染，造成了环境污染这个亟需解决的问题，可再生清洁能源的开发显得尤为重要。太阳能具有取之不尽，用之不竭，洁净无污染，可再生等优点，被列为解决能源问题的首选研究对象。如何利用自然界无尽的太阳能资源光催化降解有机污染物是从根本上解决环境污染的理想途径。

近年来，由于不含金属的聚合物石墨相氮化碳（g-c3n4）材料，具有无毒、可见光响应、合适的带隙（2.7ev）、稳定的电子能带结构、优异的化学稳定性和热稳定性等优点，被作为一种廉价的，稳定的可见光型催化剂。广泛应用于太阳能的光催化转化，如光催化降解有机污染物等。但石墨相氮化碳由于其自身结构性质所限，存在光吸收率低、光生载流子难分离、光催化活性低等问题，进而导致光催化过程量子效率偏低。

ws2 作为一种二维结构的过渡金属硫化物，因其拥有特殊的能带结构以及片层状结构而被广泛用于光催化技术。ws2 的带隙只有约 1.80ev，对可见光具有很强的吸收能力，同时也具有极大的比表面积和良好的物理化学稳定性，是一种极佳的纳米光催化材料。 由于 ws2 拥有和 g-c3n4 一样类似石墨烯的分子结构，且 ws2 的能带结构也与 g-c3n4 纳米片相匹配，ws2/g-c3n4 纳米复合材料的构建一直是研究热点方向之一。构建的 ws2/g-c3n4 纳米复合材料一般被认为是异质结结构，随着 ws2与 g-c3n4 纳米复合材料直接的接触距离的缩小或是引入了电子介体材料，构建的 ws2/g-c3n4 纳米复合材料内电子将会进行 z 型转移。 由于2d/2d纳米复合材料具有表面积打、结合位点丰富以及电子传输距离极短的优势，构建2d/2d纳米复合材料能够提高与反应物的接触面积，并改变电子走向进而延缓电子空穴的复合。构建z型结构不仅能提高电子空穴的氧化能力，而且能够进一步发挥2d/2d结构电子传输距离短的优势，进而提高光催化性能。2d纳米材料自发现以来，其独特的光学、电磁学、电学与物理化学性能，使得其在催化、能量转换存储、生物医疗以及传感器等多种领域受到了广泛的关注。首先，2d纳米材料原子级厚度和巨大的横向面积使得材料具有优良的机械韧性和光学特性，使得它们在新一代超柔性和高透性的光学和电子器件的生产研究中成了热点方向。接着，2d结构纳米材料本身具有极大的比表面积以及独特的表面结构使得2d结构纳米材料在能量转换和传感器方面表现出卓越的性能。最后，由于g-c3n4材料2d结构的存在，在光催化领域进行复合材料的研究时能够表现出点子传输能力强、结合点位丰富等特点，十分有利于光催化纳米复合材料体系的构建。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：以具有二维层状结构的ws2和g-c3n4为基体，组装合成2d/2d光催化复合材料，探讨两相比例、醇热反应条件等对ws2/g-c3n4光催化复合材料可见光催化性能的影响规律，结合微观形貌、相结构和催化降解性能优化合成条件。

以硫脲为前驱体通过煅烧制取g-c3n4，并通过二次煅烧将其热剥离为超薄纳米片。以钨酸钠为钨源，硫脲为硫源，通过水热法合成ws2。再将g-c3n4和ws2通过水热法复合为2d/2d光催化复合材料。改变掺杂ws2的质量分数，通过光催化降解罗丹明b的测试，探索最佳的配比。并且用tem，sem,固体紫外，xrd对制取的样品进行全面的表征。

3. 研究的方法与步骤

块状g-c₃n₄主要是通过热缩合的方法制备的。准确称取10 g硫脲作为前驱体，将前驱体转移到坩埚中，然后将装有前驱体的坩埚小心放入管式炉中，调节升温速率为 5 ℃/min，保温温度为550 ℃，共计升温106 min。达到预定调节的温度后，定时反应4 h。反应结束待其冷却至室温后，取出样品至于研钵中研磨30 min，可以得到粉末状的g-c₃n₄。

g-c₃n₄二维（2d）纳米片通过热剥离的方法，将上述制得的g-c₃n₄粉末用分析天平准确称取200 mg放入坩埚中，然后把坩埚放入管式炉内调节升温速率为5 ℃/min，预定达到温度为 500 ℃。待达到预定温度后保持温度反应2 h。反应结束后待其冷却至室温，将二次煅烧后的样品放入研钵中研磨30 min即可得到白色粉末状的g-c₃n₄超薄二维（2d）纳米片。

4. 参考文献

1. wang xc, maeda k, thomas a, et al. a metal-free polymeric photocatalyst for hydrogen production from water under visible light [j]. nat mater 2009, 8: 76-80.

2. yu h, shi r, zhao y, et al. alkali-assisted synthesis of nitrogen deficient graphitic carbon nitride with tunable band structures for efficient visible-light-driven hydrogen evolution [j]. adv mater 2017, 29(16):1605148.

3. wen j, xie j, chen x, et al. a review on g-c3n4-based photocatalysts [j]. appl surf sci 2017, 391:72-123.

5. 计划与进度安排

(1)第1周～第6周（2022.02.24～04.03），查阅资料，细化实验方案，完成开题报告、外文翻译和毕业论文的绪论部分；

(2)第7周～第9周（2022.04.06～04.24），变化配比和醇热反应条件，合成一系列ws2/g-c3n4光催化复合材料；

(3)第10周～第12周（2022.04.27～05.15），对材料进行微观形貌、相结构等的全面表征，进行有机污染物的光催化降解实验，整理数据，总结前期工作，完成中期答辩；