康莎, 章柯, 卫亚静, 王传义

高等学校化学学报 2025, 46 (4): 20240488-. DOI:10.7503/cjcu20240488

摘要（258）

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采用简单的溶剂热法合成了一系列具有N空位的g-C₃N₅/CdS/Ti₃C₂复合光催化剂. 通过缺陷工程和异质结的协同作用, 所设计的最佳比例g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂复合材料的光催化性能分别是g-C₃N _x 和CdS的2.7和2.4倍. 由于光吸收率的提高和界面电荷迁移的改善, 在可见光照射下, 10 min内g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂对流动反应器内的NO去除率达到60.21%, NO₂的生成率仅为2.08%. 通过电子顺磁共振(EPR)和捕获实验分析了活性物种并推断出光生载流子的迁移途径. 此外, 通过原位漫反射傅里叶变换红外光谱(in-situ DRIFTS)进一步揭示了g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂体系光催化去除NO的机理. 研究结果为利用空位工程和异质结构的协同作用有效去除NO提供了新的思路和实验依据.

通过EPR验证所制备材料的氮空位. 由图9（A）可见， CdS和g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂-20%的EPR信号较弱，而g-C₃N _x 在g=2.003时出现了较强的信号，这是因为g-C₃N _x 有较高的氮空位浓度，表明其氮空位周围捕获的电子更为集中. 通过氧的程序升温脱附（O₂-TPD）实验研究了光催化剂表面对O₂的吸附和解吸. 研究表明，位于低温区（100~200 ℃）的氧解吸峰对应物理吸附，而位于中温区（200~500 ℃）的氧解吸峰则对应化学吸附［28］. 如图9（B）所示，所有催化剂在低温区均表现出物理吸附氧的特性，其中， g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂-20%的物理解吸峰面积明显大于g-C₃N _x， CdS和Ti₃C₂，表明g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂-20%对O₂的物理吸附能力较强. CdS的O₂-TPD曲线在360 ℃处出现了一个强峰，与硫空位的化学氧吸附对应［29］. 与其它单一催化材料相比，复合催化剂对氧的化学吸附作用较弱.

为了确定光催化过程中产生的活性物种，在g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂-20%对NO的光催化反应中进行了自由基淬灭实验. 将不同的捕获剂（1 mmol）和光催化剂（50 mg）均匀混合在无水乙醇（10 mL）中，然后在60 °C下烘干以形成均匀的薄膜. 使用AA， TBA， K₂Cr₂O₇和KI作为淬灭剂，分别用于捕获?O₂? ， ?OH， e?和h+. 如图9（C）所示， 4种捕获剂对光催化去除NO表现出不同的抑制能力. 抑制作用最明显的是 AA和KI，其次是K₂Cr₂O₇和TBA，表明h+和?O₂?在NO的光催化转化过程中起主要作用，而?OH基本不起作用.

利用EPR进一步探讨了CdS， g-C₃N _x 和g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂-20%在光催化过程中产生的活性氧物种. 如图10（A）~（E）所示，纯CdS在光照下产生?O₂? ， 1O₂和?OH； g-C₃N _x 在光照下只能产生?O₂? 和1O₂，由于其价带电位低于OH?/?OH的标准电位，因此在光照下无法检测到?OH的EPR信号［图10（F）］；复合材料 g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂-20%在光催化过程中也只能产生?O₂?和1O₂［图9（D）和（E）］，不能产生?OH［图9（F）］，与捕获实验的结果一致.