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合理設計與開發可見光驅動的石墨相氮化碳半導體光催化納米複合材料並用於環境修復和能源生產應用

為了解決XS400的問題，作者Sridharan Balu 這樣論述：

永續環境光觸媒的合理設計與發展引起許多領域研究人員的興趣，特別在能源生產和太陽能轉換的應用，其中由於簡化的處理方式、可重複使用性及可持續性等特性，半導體光觸媒的高級氧化法 (Advanced Oxidation Processes) 在太陽能轉換上受到高度的關注，同樣具備光/熱穩定性且合乎成本效益的無毒光催化劑/納米複合材料之合成和設計也是必不或缺的課題。半導體奈米複合物對能帶工程的合理設計可以增強太陽光收集，並擁有優異的電荷分離，較低的複合率以及高光催化效率。石墨相氮化碳 (g-C3N4), 二氧化鈦 (TiO2) 與赤鐵礦 (α-Fe2O3) 在光觸媒應用裡是廣泛被使用及研讀的半導體材料

，然而這些材料的寬能隙 (分別為2.7, 3.2, 2.2 eV) 限制它們於可見光範圍的應用，為了改變它們的物理化學和光電特性，可以進行表面修飾或功能化，金屬/非金屬摻雜以及與其他半導體材料或金屬氧化物/金屬硫化物的偶合。本論文工作的主要目標是（i）增強基於石墨相氮化碳g-C3N4的新型雜化納米複合材料的光催化率；（ii）合理和納米工程化製造的異質結構，以實現有效的電荷轉移過程；（iii）闡明活化物和合成光催化劑的機制，（iv）將合成光催化劑用於環境修復和能源應用。有鑑於此，各式新型基於原始或改質石墨相氮化碳 (g-C3N4) 的雜化半導體納米複合材料紛紛被成功合成出來，例如碘化銀-硫化銀-

石墨相氮化碳複合(AgI-Ag2S@g-C3N4), 二氧化鈦/石墨相氮化碳複合物(P90-TiO2/g-C3N4), 赤鐵礦奈米粒子/硫酸功能化石墨相氮化碳複合物 α-Fe2O3-NCs@CN-SAF, 鉍鐵氧化釩/硫參雜石墨相氮化碳複合物 BixFe1-xVO4/SCN，二維聚合物石墨相氮化碳 (g-C3N4)具有很高的化學/熱穩定性，是目前被受看好可作為金屬/非金屬摻雜，納米結構制定，半導體耦合和表面改性的主體材料，本文中，原始石墨相氮化碳g-C3N4是通過直接熱解法合成的，其餘的半導體材料是通過簡便的水熱法合成的，這在它們各自的合成程序中都有說明，透過濕化學浸潤，然後利用全溶劑蒸發技術

合成上述半導體-納米複合材料。利用X射線繞射儀(XRD)、場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)、能量散射X射線譜(EDX)、穿透式電子顯微鏡(TEM)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FT-IR)、X 射線光電子能譜儀(XPS)、紫外光漫反射光譜(UV-DRS)、光致發光光譜(PL)及拉曼光譜(Raman)技術對於所有合成的半導體納米複合材料，仔細檢查其物理化學和光電特性。上述材料合成後其光催化活性經由食品添加劑染料（如日落黃FCF和酒石黃），對環境有害的有機物（如亞甲基藍，伊文思藍，剛果紅和苯酚），重金屬鉻(Cr(VI))，有機砷化合物（roxarsone）測試其可見光照射下的光電化學氧氣析出反應

(OER)。通過光電化學(PEC) 測量進一步證實了光催化劑材料的光生電荷分離，光穩定性和抗電荷轉移性能。並研究參與光氧化還原反應的主要活化物 (⦁OH, O2⦁–)，提出合理的光催化機制以闡明各個光催化系統的集富效率。將獲得的不同納米複合材料的光催化效率與原始g-C3N4 進行比較，結果提高了2.4–14.4％，因此，此結果證實，交錯排列的分子和異質結構透過增加活化區域，超快電荷分離和減少光生電荷載子的重組 (e–/h+) ， 極大地提高原始g-C3N4的光催化活性和效率。