Er掺杂g-C3N4催化剂的红光光催化研究：性能增强与上转换机制

"本文详细研究了铒掺杂的石墨相氮化碳(g-C3N4)催化剂的制备方法和光催化性能。通过甲醇回流法制备Er/g-C3N4，使用多种分析手段进行了深入表征，并探讨了Er掺杂对g-C3N4能带结构的影响以及其在红光激发下的上转换能力。实验结果显示Er/g-C3N4在光催化降解罗丹明B方面表现出显著增强的活性。" 在光催化领域，g-C3N4作为一种二维半导体材料，因其独特的光吸收特性和良好的稳定性而备受关注。本文以三聚氰氨为原料，采用甲醇回流法制备了Er掺杂的g-C3N4催化剂。这种方法允许Er离子均匀地分散在g-C3N4的层状结构中，有助于改善材料的光催化性能。通过SEM分析，可以观察到催化剂的微观形貌；XPS则揭示了Er在材料表面的化学状态和电子结构；XRD用于确认材料的晶体结构；UV-Vis-NIR DRS测量则揭示了Er掺杂如何改变g-C3N4的光吸收范围，使其能够更有效地吸收可见光；IR光谱用于解析材料的官能团；PL谱可以了解光生载流子的行为；物理吸附分析了材料的孔隙结构；而CLSM则提供了催化剂表面的微区信息。 Er掺杂对g-C3N4的能带结构产生了显著优化，使得材料的禁带宽度发生变化，从而增强了对可见光的吸收。这不仅增加了光子捕获效率，而且通过调整电子-空穴对的分离效率，减少了它们的复合，从而提高了光催化效率。此外，Er/g-C3N4展现出上转换能力，这意味着它能将低能量的红光转化为高能量的光子，这对于延长光子寿命和促进光催化反应是非常有利的。 在实际应用中，研究人员用660 nm红光LED照射Er/g-C3N4，测试其在光催化降解罗丹明B水溶液中的性能。结果表明，Er/g-C3N4的降解速率是纯g-C3N4的两倍，显示出优异的光催化活性。进一步的分析表明，超氧自由基是该系统的主要活性物种，参与了罗丹明B的分解过程。 这项工作展示了铒掺杂对g-C3N4光催化性能的显著提升，为设计和优化新型光催化剂提供了新的思路，特别是对于利用红光激发的环境友好型光催化应用，如水体净化和环境污染控制等领域具有重要意义。