NドープZnO / g-C3N4ナノコンポジットの可視光駆動光触媒性能

要約

NドープZnO / g-C ₃ N ₄ 複合材料は、簡単で費用効果の高いゾルゲル法によってうまく調製されています。ナノコンポジットは、XRD、FE-SEM、HRTEM、FT-IR、XPS、およびUV-visDRSによって体系的に特徴付けられました。結果は、純粋なNドープZnOと比較して、バイナリNドープZnO / g-C ₃の吸収端を示しました。 N ₄ 可視光吸収を増加させ、電荷分離効率を改善することで、より低いエネルギーにシフトしました。これにより、その光触媒活性が向上します。純粋なg-C ₃との比較 N ₄ 、ZnO、NドープZnOおよび複合ZnO / g-C ₃ N ₄ 、調製されたままのNドープZnO / g-C ₃ N ₄ 可視光照射下でメチレンブルーとフェノールの大幅に強化された光触媒分解を示します。一方、NドープZnO / g-C ₃ N ₄ 高い安定性を備えています。最後に、NドープZnO / g-C ₃の提案されたメカニズム N ₄ も議論されています。改善された光触媒作用は、NドープZnOとg-C ₃の間の相乗効果に起因する可能性があります。 N ₄ 、エネルギーバンド構造と強化された電荷分離効率を含みます。

背景

太陽エネルギーをエネルギー源とする有機化合物の光触媒分解は、環境保護に大きな関心を集めています[1,2,3]。知られているように、ZnOは、その低価格、高い光触媒活性、非毒性などの独自の利点があるため、重要な半導体光触媒の一種です[4、5]。しかしながら、低い電荷分離効率、光腐食に対する感受性、および不十分な可視光吸収などの不利な点は、その広く商業的な用途を制限した[6、7]。金属および/または非金属イオンのドーピング、他の半導体との結合、および金属錯体による表面増感は、太陽エネルギーの利用と電荷分離効率を改善するための実行可能なアプローチと見なすことができます[7、8]。非金属元素のNドーピングは、可視範囲でのZnOの光吸収を効果的に改善したと報告されています[9]。窒素原子は、原子サイズと電気陰性度が酸素原子に最も近いため[10]、NドーピングによりZnOの歪みが最小になる可能性があります。残念ながら、そのNドープZnOは、NドープTiO ₂とは異なり、優れた光触媒効率を示しません。 [11]。

グラファイト状窒化炭素（g-C ₃ N ₄ ）は、その特殊な半導体特性と低コストにより、比較的新規で、用途が広く、有望な金属を含まない高分子半導体光触媒です[12、13、14]。 H ₂の水分解を触媒し、環境汚染物質を分解する大きな可能性について広く研究されています[12]。進化[13]、および照射下での二酸化炭素の削減[14]。しかし、その光生成電荷の容易な再結合は、その光触媒性能を制限し、その幅広い実用的な用途を大幅に制限します[15]。適切なヘテロ接合複合材料を構築することは、光生成電荷分離を改善するための最も一般的な方法の1つです[16、17、18]。 g-C ₃のカップリング N ₄ これらの2つの半導体はよく一致し、重なり合うバンド構造を持っているため、ZnOを使用すると優れたヘテロ構造が得られます[6]。可視光照射下では、価電子帯（VB）から励起された最初の電子がg-C ₃の伝導帯（CB）に移動する可能性があります。 N ₄ 次に、さらにZnOのCBに移動し[6、8、19]、結果としてZnO / g-C ₃の光触媒活性が向上します。 N ₄ 。最近、シャンカー等。 [10]は、NドープZnO / g-C ₃ N ₄ ハイブリッドコアシェルは、ローダミンBの分解に対して大幅に強化された可視光光触媒作用を示します。ただし、私たちの知る限り、NドープZnO / g-C ₃に関する研究は報告されていません。 N ₄ これまでのフェノールやメチレンブルー（MB）などの揮発性有機汚染物質の可視光分解について。

この作業では、NドープZnO / g-C ₃ N ₄ 複合光触媒は、ゾルゲル法によって合成された。調製されたままの複合材料は、可視光照射下で、MBおよびフェノールの著しく増強された光触媒分解を示した。最後に、MBとフェノールの光触媒分解について考えられるメカニズムも調査されました。

メソッド

NドープZnO / g-C ₃の調製 N ₄ ナノコンポジット

g-C ₃ N ₄ 粉末はメラミンを加熱することによって調製されました[20]。簡単に説明すると、5 gのメラミンをカバー付きのアルミナるつぼに入れ、最初に80°Cに加熱した後、マッフル炉で550°Cで4時間煆焼しました。室温まで自然冷却した後、得られたサンプルを粉砕して粉末にした。次に、g-C ₃ N ₄ 粉末を水中で超音波処理し、遠心分離して、剥離していないg-C ₃を除去しました。 N ₄ 。

NドープZnOのゾルを調製するために、等モルの酢酸亜鉛と尿素をエタノールに溶解しました[10、21]。適切な量のg-C ₃ N ₄ 連続的に攪拌しながら上記の溶液に加えた。次に、溶液を80°Cのウォーターバスで5時間保持しました。その後、得られた混合物を乾燥させ、400℃で1時間加熱して、NドープZnO / g-C ₃を取得しました。 N ₄ N-ZnO / g-C ₃としてマークされている50mol％のNドープZnOがロードされています N ₄ 。

ＺｎＯを合成するためのゾルは、尿素を添加せずに上記の方法を使用することによって調製された。次に、ZnO / g-C ₃ N ₄ 50 mol％のZnOをロードしたナノコンポジットは、空気中での煆焼を除いて、同じ実験条件下で調製されました。

特性評価

X線回折（XRD）パターンは、Cu K αを使用したRigakuD / max2000回折計で実行されました。放射線。サンプルの形態と微細構造は、電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM; Ultra 55、Zeiss）と高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM; Tecnai G ² ）によって調べられました。 F20 S-ツイン、FEI）。フーリエ変換赤外（FT-IR）スペクトルは、Nicolet Nexus-870赤外分光法（Thermo Nicolet）で400〜4000 cm ^-1 の範囲で記録されました。 KBrペレットを使用します。粒子サンプルの化学組成は、Al K αを使用したX線光電子分光法（XPS; Thermo Fisher K-Alpha）によって分析されました。放射線、およびすべてのスペクトルは、284.6eVにピークを割り当てることによって較正されました。 Brunauer–Emmett–Teller（BET）表面積は、表面積装置（TriStar-3000、Micromeritics）によって推定されました。 UV-vis拡散反射スペクトル（UV-vis DRS）は、200〜800nmの範囲の積分球とBaSO _{4 > 参照として使用されました。}

光触媒活性

調製されたままの光触媒の光触媒活性は、水溶液中のMBおよびフェノールの分解を介して評価された。 420 nmカットオフフィルターを備えたソーラーシミュレーター（300 W Xeランプ）は、120 mW / cm ² の光強度で可視光を照射します。。触媒（MBの場合は0.5 g / L、フェノールの場合は5 g / L）と10 mg / L MB（または5 mg / Lフェノール）を含む100 mlの水溶液を、250rpmで連続的に攪拌しながらガラス反応器に入れました。照射前に、光触媒を懸濁した汚染物質溶液を光のない状態で30分間撹拌して、光触媒粉末とMB /フェノールの間の平衡吸着/脱着を達成しました。反応中、温度は25±1℃に維持されました。所定の照射時間ごとに、反応した溶液の約3 mLを取り出し、12,000 rpmで30分間遠心分離して、光触媒を除去しました。次に、遠心分離された溶液の濃度を、UV-vis-NIR分光光度計（UV-3600、島津製作所）で測定し、MBとフェノールの最大吸光度をそれぞれ664mと270nmで測定しました。可視光照射後、光触媒を回収、洗浄、100℃で12時間乾燥させた。光触媒の安定性は、4つの別々のサイクルを実行することによってチェックされました。全有機炭素（TOC）は、島津TOC-2000アナライザーを使用して決定されました。光触媒反応中の活性種を探索するために、染料の分解に対する様々なスカベンジャーの効果を調査した。この方法は、可視光照射下での以前の光触媒活性試験と同様でした。

結果と考察

図1は、g-C ₃のXRDパターンを示しています。 N ₄ 、ZnO、N-ZnO ZnO / g-C ₃ N ₄ 、およびN-ZnO / g-C ₃ N ₄ コンポジット。主な特徴的なピークは、ウルツ鉱構造の六角形のZnO（JPCDS 36-1451）としてインデックス化できます。 g-C ₃の特徴的な回折ピーク（002）に対応する27.5°の強いピーク N ₄ [10、22]も観察できます。したがって、窒素の導入はZnOの結晶構造を変化させないと結論付けることができます。さらに、図1bに示すように、N-ZnO / g-C ₃におけるN-ZnOの回折ピーク N ₄ ZnO / g-C ₃中のZnOの場合と比較して、わずかに赤方偏移があります。 N ₄ 、格子定数の全体的な収縮を示します[10]。 Schererの式から導き出されたN-ZnO（38.6 nm）の結晶子サイズは、ZnO（45.8 nm）の結晶子サイズよりも小さくなっています。これは、ZnOの成長を阻害する可能性のあるNドーピングに起因する可能性があります[21]。 Nをドープした後、ZnOの結晶格子へのNの導入に起因する結晶化度が低いため、回折ピークはZnOの回折ピークよりも明らかに広くなります（図1b）。比表面積の値は15.3および18.5m ² / g（ZnOの場合）/ g-C ₃ N ₄ およびN-ZnO / g-C ₃ N ₄ 、それぞれ。純粋なZnOとN-ZnOを比較すると、複合材料のBET表面積が大幅に増加します。 BET表面積の増加は、光生成キャリアの分離と移動効率が改善されることを示しており、これは複合材料の光触媒活性に有利に働く可能性があります。

調製されたままの光触媒の形態および微細構造を、ＴＥＭおよびＳＥＭによって分析した。図2aに示すように、純粋なg-C ₃ N ₄ ふわふわの構造でシート状の形態を示します。図2b、cは、それぞれZnOおよびNドープZnOサンプルのSEM画像を示しています。純粋なZnOと比較して、NドープZnOは、比較的均一な直径でより小さな結晶子サイズを示します。これは、XRDデータに基づいてScherrer式を使用して計算された結果と一致しています。さらに、ZnO / g-C ₃の形態 N ₄ およびN-ZnO / g-C ₃ N ₄ 複合光触媒は、g-C ₃のものとは明らかに異なります。 N ₄ 。明らかに、ZnO / g-C ₃中のZnOおよびN-ZnOナノ粒子 N ₄ およびN-ZnO / g-C ₃ N ₄ 複合材料の表面にそれぞれ分散しています（図2d、e）。 g-C ₃上のナノ粒子の均一な分布 N ₄ ZnOとN-ZnOの凝集を最小限に抑え、反応性サイトを最大化することができます。これは、光触媒反応に有利に働く可能性があります[7]。 ZnO / g-C ₃とは異なり N ₄ 、N-ZnO / g-C ₃の表面が N ₄ 明らかに粗く、N-ZnO / g-C ₃の表面に均一に集合しているN-ZnO粒子に起因する可能性があります。 N ₄ 加熱処理中。

図3の対応するTEM画像も同様に、適切にヘテロ構造の複合材料が存在することを示しています。ここでは、N-ZnO / g-C ₃の表面にN-ZnOナノスフェアがあります。 N ₄ g-C ₃にしっかりと取り付けられています N ₄ 。図3b、cは、N-ZnO / g-C ₃のHRTEM画像を示しています。 N ₄ 。測定された3.25Åと2.43Åの格子縞間隔は、g-C ₃の結晶面（002）と（101）とよく一致しています。 N ₄ それぞれ、N-ZnO。

g-C ₃のフーリエ変換赤外（FT-IR）スペクトル N ₄ 、ZnO、N-ZnO、および複合材料を図4に示します。ZnOおよびNドープZnOの場合、400〜560 cm ^-1 の領域にピークがあります。は、g-C ₃を除くすべてのサンプルで観察されたZn–Oバンドの曲げ振動に対応します[6、10]。 N ₄ 。 g-C ₃のスペクトル N ₄ 、1243および1637 cm ^-1 のピークそれぞれC-NとC =Nの伸縮振動に対応します[10]。 810 cm ^-1 のピーク s-トリアジン環ユニットの呼吸モードに由来します[23、24]。 3100〜3400 cm ^-1 付近の高波数での広い吸収帯これは、-NH ₂のN-H結合の伸縮振動に起因します。および/または=N-Hアミン、および化学吸着および/または物理吸着されたH ₂のヒドロキシル基 O分子[10、23]。 g-C ₃の主な特徴的なIRピークがはっきりとわかります。 N ₄ ZnO / g-C ₃に存在する N ₄ およびN-ZnO / g-C ₃ N ₄ 複合材料、g-C ₃の構造的特徴を示唆している N ₄ XRDの結果とよく一致して、ハイブリダイゼーションプロセス後も維持されます。さらに、g-C ₃の主な特徴的なピーク N ₄ 複合材料では、わずかに高い波数にシフトします。この赤方偏移は、拡張共役系がヘテロ構造複合材料に現れるという事実に起因する可能性があります[10、25]。

図5は、N-ZnO / g-C ₃のXPSスペクトルを示しています。 N ₄ 。図5aの1021.8および1044.9eVの2つのピークは、Zn 2p _3/2に起因します。および2p _1/2 、それぞれ。 O 1sピークは、ガウス-ローレンツピーク形状を使用した非線形最小二乗近似プログラムで近似されます。デコンボリューション後、530.4および532.0eVに2つのフィットしたピークがあります。 530.4eVのピークをO ^2- に割り当てることができます ZnO中のイオン[26]。 532.0 eVのもう一方のピークは、複合光触媒の表面にある化学吸収性の酸素および/またはヒドロキシル基[26]に起因する可能性があります。 N-ZnO / g-C ₃のC1sスペクトル（図5c） N ₄ 3つの基本的なC状態に対応する3つのピークに適合させることもできます。 284.6 eVの結合エネルギーは、NドープZnO / g-C ₃の表面にある不定炭素（C-C）に起因します。 N ₄ [3、6]。 286.5および287.8eVのC1sピークは、sp ³ に割り当てられます。 -およびsp ² -複合材料のN-C =Nの結合炭素。 g-C ₃のN1sスペクトルに関して N ₄ 、デコンボリューション後に3つのピークがあり、3種類のN状態[27、28]、398.5 eVのピリジニックN（C-N-C）、ピロリックN（N- [C] ₃> ）399.8 eV、および401.0 eVのグラファイトN（C-NH）。 3種類のN状態の上には、g-C ₃の基本単位があります。 N ₄ 。 N1sスペクトル（図5d）では、397.5および398.6 eVの結合エネルギーのピークは、O-Zn-N結合[29]およびsp ² の陰イオンNに割り当てることができます。 -混成N [28]。ここで、g-C ₃のフレームワークは次のように結論付けることができます。 N ₄ N-ZnO粒子と組み合わせても変化しません。さらに、XRD、FT-IR、およびXPSの結果は、NドープZnOとg-C ₃の両方が存在することを確認しています。 N ₄ ヘテロ接合構造の種。

調製した粉末サンプルのUV-可視拡散反射スペクトルも、プレスしたBaSO ₄で測定しました。参考として。結果のデータは、式（1）に示す寛解関数としてプロットされます。 1.

$$ F（R）=\ raisebox {1ex} {$ {\ left（1-R \ right）} ^ 2 $} \！\ left / \！\ raisebox {-1ex} {$ 2R $} \ right。 $$（1）

ここで R Kubelka–Monk理論に基づく拡散反射率です。バンドギャップエネルギー（ E _g 直接バンドギャップ半導体の）は、式（1）から推定されました。 2線形部分を外挿します。

$$ {\ left（F（R）\ cdot hv \ right）} ^ 2 =A \ left（hv- {E} _g \ right）$$（2）

ここで A は、純粋なg-C ₃の直接バンドギャップ半導体によって決定される吸収定数です。 N ₄ 、ZnO、N-ZnO、ナノコンポジットZnO / g-C ₃ N ₄ 、およびN-ZnO / g-C ₃ N ₄ 。図6は、調製したままのサンプルのUV-vis吸収スペクトルを示しています。純粋なg-C ₃の吸収端が明らかにわかります。 N ₄ は約470nm [6]で、2.63eVのバンドギャップに相当します。図6に示すように、ZnOはUV範囲で390nm付近に明確な吸収端を持っています。純粋なZnOと比較して、吸収を促進できるZnOの価電子帯（VB）の上部への窒素の寄与により、N-ZnOサンプルでは吸収端のより高い波長への明らかな赤方偏移が検出されます。可視領域に近いNドープZnOの分布[10]。したがって、窒素ドーピング後、ZnOのバンドギャップは3.21から3.10eVに減少します。もう1つの重要な変更は、ZnO / g-C ₃の400〜600nmの範囲の可視光領域での吸収の強化です。 N ₄ およびN-ZnO / g-C ₃ N ₄ 、純粋なZnOおよびN-ZnOと比較。これは、g-C ₃間の効果的な表面ハイブリダイゼーション[6、30]に起因する可能性があります。 N ₄ 表面にZnO（NドープZnO）があります。さらに、N-ZnO / g-C ₃ N ₄ （2.73 eV）は、ZnO / g-C ₃と比較して、可視領域でより広い吸収端を示しています。 N ₄ （2.85 eV）、これは可視光照射下での色素の光分解に有利です。

g-C ₃の伝導帯（CB）と価電子帯（VB）のエッジ N ₄ およびZnOは、NHEに対してそれぞれ約-1.3 eV / + 1.4eVおよび-0.5eV / + 2.7eVに位置します[6、8、31]。 N-ZnOの場合、VBとCBのエッジ電位は、次の式[32]を使用して決定できます。

$$ {E} _ {\ mathrm {VB}} =X- {E} _ {\ mathrm {e}} + 0.5 {E} _ {\ mathrm {g}} $$（3）$$ {E} _ {\ mathrm {CB}} ={E} _ {\ mathrm {VB}}-{E} _ {\ mathrm {g}} $$（4）

ここで E _VB 、 X 、および E _e は、価電子帯のエッジ電位、構成原子の電気陰性度の幾何平均によって決定される半導体の絶対電気陰性度、および水素スケール（〜4.5 eV）での自由電子のエネルギーです[10 、24]。 E _VB および E _CB NドープZnOの量は、それぞれ2.65および-0.45eVと計算されます。

図7は、可視光照射下で調製した光触媒を使用したMBの光触媒分解を示しています。各サンプルは、MBの低い吸着容量を実行します。可視光や触媒がない場合、MBの劣化はほとんど見られず、上記の条件下でMBが安定していることを示しています。図7aに示すように、Nドーピング後、N-ZnOの光触媒安定性が向上し、Nドーピングの導入により光生成電荷キャリアの再結合を抑制できることを示しています。一方、ZnO / g-C ₃の光触媒活性 N ₄ およびN-ZnO / g-C ₃ N ₄ 複合触媒は、純粋な参照サンプルよりも明らかに高いです。改善された光触媒活性は、複合材料のヘテロ構造に起因し、光生成された電子移動を促進し、電子正孔対の再結合を抑制することができます[7、33]。さらに、N-ZnO / g-C ₃ N ₄ 触媒は、ZnO / g-C ₃よりも高い光触媒活性を示します N ₄ 、ZnO / g-C ₃にもかかわらず N ₄ ヘテロ構造。可視領域での吸収が改善され、電子正孔対が生成され、バンドギャップエネルギーが狭くなります。実験結果は、疑似一次速度論に適合した。初期汚染物質濃度が低い場合、一定の割合 k 式によって与えられました。 5.

$$ \ ln \ raisebox {1ex} {$ C $} \！\ left / \！\ raisebox {-1ex} {$ {C} _0 $} \ right。=-kt $$（5）<図> <画像>

a ZnO、N-ZnO、g-C ₃を使用したMBの光触媒分解 N ₄ 、ZnO / g-C ₃ N ₄ 、およびN-ZnO / g-C ₃ N ₄ 可視光照射下の触媒、 b 対応するln（ C / C ₀ ）対時間曲線、 c MB光分解の速度定数、および d N-ZnO / g-C ₃のMB分解の5サイクル N ₄

ここでは、 k および t 一次速度定数（h ^-1 ）と照射時間（h）、それぞれ。 C ₀ はMBの初期濃度であり、 C は t の反応時間での濃度です。 ln（ C の対応するプロット ₀ / C ）対MBの光分解の照射時間は図7bに示されています。 ln（ C ₀ / C ）および照射時間により、MBの光分解が一次速度論に従うことが確認されました。計算された一次速度定数（ k ）を図7cに示します。 N-ZnO / g-C ₃の速度定数 N ₄ は1.794h ^-1 、これはN-ZnOの5.68、3.85、および1.91倍です（0.316 h ^-1 ）、g-C ₃ N ₄ （0.466 h ^-1 ）、およびZnO / g-C ₃ N ₄ （0.937 h ^-1 ）。どうやら、N-ZnO / g-C ₃ N ₄ すべての触媒の中でMBの最も高い分解効率を示します。光触媒の安定性を評価するために、光分解されたMBに関する再循環実験をN-ZnO / g-C ₃を使用して実行します。 N ₄ 触媒。図7dに示すように、N-ZnO / g-C ₃の光触媒活性 N ₄ 非常に限られた減少を示します。 MBソリューションの分解効率は、5回目のリサイクル実験でも100分後にほぼ90％です。

フェノールは、可視光照射下での触媒の光触媒性能を評価するための代表的な難分解性汚染物質としても採用され、その結果を図8に示します。光触媒分解速度は式（1）で表されます。 5、ここで C は照射後のフェノールの一時的な濃度であり、 C ₀ 吸着プロセス後の濃度です。すべての触媒の中で、N-ZnO / g-C ₃ N ₄ フェノールの最高の光分解効率を示します。 ln（ C の対応するプロット（図8b）に基づく ₀ / C ）対照射時間、g-C ₃の速度定数 N ₄ 、ZnO / g-C ₃ N ₄ 、およびN-ZnO / g-C ₃ N ₄ 0.013、0.026、0.034 h ^-1 、それぞれ。さらに重要なのは、N-ZnO / g-C ₃ N ₄ フェノール除去に対して優れたサイクル安定性を示します（図8d）。上記の結果は、N-ZnO / g-C ₃ N ₄ 触媒は、ZnO / g-C ₃に比べてバンドギャップが小さく、可視領域の吸収端が広いため、MBとフェノールの両方で優れた光分解能力を発揮します。 N ₄ 。

全有機炭素（TOC）を測定することにより、N-ZnO / g-C ₃の光触媒鉱化作用 N ₄ 可視光照射下で水溶液中のMBとフェノールを分解することにより実施した。図9は、反応時間の関数としてのMBとフェノールのTOC除去効率を示しています。図9aに示すように、MBは120分後に完全に劣化し、TOC除去率は93％に達します。光分解プロセス中に、MBはいくつかの中間体に分解されました。これは、アミン基の1つ以上のメチル基置換基の開裂である可能性があり[34]、最終的にCO ₂に完全に分解されました。およびH ₂ O.比較すると、フェノールの鉱化作用は18％にしか達しませんでした。主な中間体には、ヒドロキノン（HQ）、p-ベンゾキノン（p-BQ）、1,3-ジヒドロキシベンゼン（DB）、無水マレイン酸（MA）、およびその他の低脂肪酸（LFA）が含まれます[35、36]。 HQおよびp-BQは、他の中間体または無機炭素に容易に酸化される可能性があります。反応系のMAとLFAは、さらに酸化して鉱化するのが困難です。

有機汚染物質の光触媒分解には、正孔（h ⁺ ）などの一連の光生成反応種があります。）、ヒドロキシルラジカル（•OH）、およびスーパーオキシドアニオン（O ₂ ^•− ）。さまざまな反応種が光分解プロセスでどのように役割を果たすかを理解するために、さまざまなスカベンジャーを使用して、光触媒分解プロセス中に活性種を検出しました。ここでは、EDTA、イソプロピルアルコール（IPA）、およびベンゾキノン（BQ）がホール（h ⁺ ）として採用されました。）、ヒドロキシルラジカル（•OH）、およびスーパーオキシドアニオン（O ₂ ^•− ）それぞれ1.0mMの濃度のスカベンジャー。光触媒実験により、N-ZnO / g-C ₃ N ₄ コンポジットは、MBソリューションで最高の劣化を示しました。そのため、清掃実験にはMBソリューションを選択しました。図10に示すように、EDTAとBQをそれぞれ添加すると、光触媒活性の明らかな低下も観察され、h ⁺ の両方が示唆されました。およびO ₂ ^•− 光触媒反応において重要な役割を果たします。一方、MBの光触媒分解はIPAの添加により大幅に抑制され、ヒドロキシルラジカル（•OH）が主な活性種であり、光触媒反応において支配的な役割を果たしていることを示しています。

N-ZnO / g-C ₃の電荷移動と光触媒メカニズムの概略図 N ₄ 複合光触媒を図11に示します。可視光照射下で、g-C ₃の電子正孔対 N ₄ およびN-ZnOフォーム。そして、励起状態の電子がVBからCBに輸送されます。したがって、伝導帯の電子と価電子帯の正孔は、触媒の表面で分離します。光生成された電子は、g-C ₃のCBから移動します。 N ₄ g-C ₃のCBポテンシャルによるN-ZnOのCBへの変換 N ₄ これはN-ZnOのCBエッジよりも負であるため、電子正孔対の分離効率が向上します[10]。 NドープZnOのCB電位（-0.45 eV対NHE）は、標準酸化還元電位 E を下回っています。 ⁰ （O ₂ / O ₂ ⁻ ）（-0.33 eV vs. NHE）。したがって、NドープZnOのCBで光生成された電子は、その後、溶解したO ₂と反応します。汚染物質を酸化する可能性のある高酸化性ヒドロキシルラジカルを形成します[5]。さらに、光誘起電子は、分子状酸素を還元してスーパーオキシドアニオン（O ₂）を生成する負のポテンシャルを持っています。 ^•− ）、その後、有機汚染物質の分解を誘発します。以前の報告[6、30]によると、N-ZnOのVB上の光励起された正孔は、g-C ₃のVBに移動する可能性があります。 N ₄ 。ただし、g-C ₃の光誘起ホール N ₄ 吸着したH ₂を酸化できません g-C ₃のVBポテンシャルにより、ヒドロキシルラジカルを生成するO分子 N ₄ （+1.4 eV vs. NHE）は、標準酸化還元電位E ⁰ よりも小さい（H ₂ O / OH・）（+ 2.4 eV vs. NHE）[7、10]。上記の議論に基づいて、N-ZnOのVBの大部分の正孔はg-C ₃のVBに移動しません。 N ₄ 。これらの光励起された正孔は、有機色素を直接酸化して反応性中間体[5]を取得したり、H ₂と反応したりすることができます。 Oは、光触媒反応の主な反応種であるヒドロキシルラジカルを形成します[2]。したがって、N-ZnO / g-C ₃ N ₄ ヘテロ接合構造は、電子正孔対の分離を強化し、電荷キャリアの再結合を減らし、光分解プロセスの増加につながる可能性があります。

結論

要約すると、N-ZnO / g-C ₃ N ₄ 複合光触媒は、簡単なゾルゲル法によって首尾よく調製された。 g-C ₃の追加 N ₄ 可視領域での光吸収を高め、より多くの電荷キャリアを生成し、同時に電子と正孔の分離と移動を促進します。 ZnO / g-C ₃と比較して N ₄ 、N-ZnO / g-C ₃ N ₄ 可視領域での吸収が改善され、バンドギャップエネルギーが狭いため、MBとフェノールの分解に対してより高い光触媒活性を示します。光触媒のメカニズムを分析し、光触媒能力をリサイクルすることで安定性も評価しています。