石墨相氮化碳材料光催化原位制备H2O2用于污水治理的级联反应研究开题报告

1. 研究目的与意义

近年来，我国水资源质量不断下降，水环境持续恶化， 由于污染导致的缺水和事故不断发生，使工厂停产、农业减产甚至绝收，造成了不良的社会影响和较大的经济损失，严重的威胁了社会的可持续发展。结合水污染的影响及治理要求，在水污染防治的工作中运用科学有效的治理办法，有利于提升水污染治理中的技术优势，拓宽其科学治理工作思路，并在实践中取得良好的成效，满足生态文明建设要求。 因此，在细化水污染治理研究内容的过程中，应注重治理方法的合理选择及科学运用，明确切实有效的治理计划，促进水环境质量得到进一步改善，实现城市建设及生态环境保护的协调发展。进一步丰富水污染治理的技术内涵，为相关的生态环境治理工作提供更多的技术理论。

g-c₃n₄被认为是最古老的人工合成化合物之一，其历史可以追溯到1834，由berzelius和liebig首次报道。1922年franklin通过热解hg(cn)₂和hg(scn)₂等前驱体得到一种无定型氮化碳，他还提出了其可能结构。1937年由pauling和sturdivant首次提出c₃n₄是以共面三均三嗪为基本结构单元的多聚类化合物，并通过x射线晶体学研究证明了这一观点。g-c₃n₄是一种近似石墨烯的平面二维片层结构，有两种基本单元，分别以三嗪环和3-s-三嗪环为基本结构单元无限延伸形成网状结构，二维纳米片层间通过范德华力结合。近年来，由于特殊的结构和优异的性能， g-c₃n₄成为研究热点，也有企业成功实现量产并推动g-c₃n₄在光催化领域的商业化应用。

g-c₃n₄由于廉价无毒、热稳定性高、化学结构温度等特点而应用广泛，如在医药、生物、物理、化学等领域都有重要的用途。重要的是，g-c₃n₄在解决能源短缺和环境污染两大世界难题中也具有相当广泛的应用，尤其是在处理环境污染领域中表现出举足轻重的作用，如废水修复、水消毒、空气净化等。如人们利用g-c₃n₄的光催化性能处理废水中的有机染料、重金属、持久性有机污染物（pops）、抗生素等，以及废气中的污染物如二氧化碳、氮氧化物、硫化物、挥发性有机物（vocs）等，固氮和杀菌等。

2. 研究内容和预期目标

本论文拟设计构筑一系列石墨相氮化碳材料用于光催化原位制备过氧化氢（h₂o₂）并用于污水净化的类芬顿级联反应研究。本课题采用5种不同的前驱体分别制备二维的石墨相氮化碳（g-c₃n₄）材料，考察5种不同g-c₃n₄材料的形貌、比表面积、孔径分布等情况对其光学性质、光电性质及氧还原制备h₂o₂性能的影响。

具体研究内容包括：

（1）通过高温煅烧法制备5种g-c₃n₄材料；

3. 研究的方法与步骤

本实验使用的方法和步骤如下：

（1）通过高温煅烧法制备5种g-c₃n₄材料（尿素、三聚氰胺、硫脲、双氰胺、单氰胺）

（2）对5种材料进行xrd、tem、紫外可见漫反射光谱、荧光光谱、光电化学性质等进行表征

4. 参考文献

1. c. chu, q. zhu, z. pan, s. gupta, d. huang, y. du, s. weon, y. wu, c. muhich, e. stavitski, k. domen, j.-h. kim, spatially separating redox centers on 2d carbon nitride with cobalt single atom for photocatalytic h₂o₂production [j]. pnas, 2020, 117, 6376-6382.

2. j. zhang, g. zhang, q. ji, h. lan, j. qu, h. liu, carbon nanodot-modified feocl for photo-assisted fenton reaction featuring synergistic in-situ h₂o₂production and activation [j]. applied catalysis b: environmental, 2020, 266, 118665.

3. c. zhu, m. zhu, y. sun, y. zhou, j. gao, h. huang, y. liu, z. kang, carbon-supported oxygen vacancy-rich co₃o₄for robust photocatalytic h₂o₂production via coupled water oxidation and oxygen reduction reaction [j]. acs appl. energy mater. 2019, 2, 8737-8746.

5. 计划与进度安排

(1) 第1-3周：查阅资料，制定实验方案与计划，准备开题报告；外文论文翻译，论文前言部分的撰写；

(2) 第4-7周：制备5种二维g-c₃n₄材料；对材料进行xrd、tem、紫外可见漫反射光谱、荧光光谱、光电化学性质等进行表征；

(3) 第8-11周：对5种g-c₃n₄材料进行光催化制备h₂o₂的性能进行评估，并对其污水中有机污染物的净化能力进行考察，总结分析g-c₃n₄材料影响其光催化性能的关键因素；