Recent advances in anion doped g-C3N4 photocatalysts

Актуальность представленной темы обусловлена тем, что фотокатализ - это уникальный процесс решения проблем с энергетикой и окружающей средой. Его эффективность определяется свойствами фотокатализаторов, а именно их стабильностью, способностью конвертировать световую энергию в химическую и селективностью. Однако эффективность известных на сегодняшний момент фотокатализаторов остается достаточно низкой, что ограничивает их широкомасштабное промышленное применение. В настоящее время ведется поиск способов получения высокоэффективных фотокатализаторов. В связи с вышесказанным, целью представленной работы являлось изучить основы фотокатализа, основные способы получения перспективных g-C3N4 фотокатализаторов, а также получить практические навыки работы в этой области. В связи с поставленной целью необходимо решить следующие задачи: - Провести обзор научной литературы по фотокатализу; - Изучить фотокатализаторы; - Ознакомиться с принципами протекания фотокаталитических реакции; - Определить возможные области применения фотокатализаторов; - Изучить успехи в синтезе g-C3N4 допированных анионами; - Рассмотреть области применения g-C3N4 катализаторов в фотокатализе; - Для выполнения экспериментальной работы необходимо изучить методики проведения эксперимента, используемые в химической лаборатории; - Описать лабораторную установку; - Описать методики анализа веществ и основные методики расчета; - Ознакомиться со свойствами используемых в работе материалов и реактивов; - Выполнить эксперименты по синтезу фотокатализаторов; - Описать выполненные экспериментальные исследования; - Описать методы, используемые при выполнении исследований; - Обосновать необходимость проведения конкретных экспериментальных работ; - Описать полученные результаты; - Дать обсуждение результатов. Объектом исследования данной работы был синтез фотокатализаторов и их применение в фотокатализе. Предметом исследования были фотокатализаторы на основе допированных g-C3N4 соединений. Главными методами исследования этой темы являлись: 1) поиск и анализ литературных данных; 2) выполнение экспериментов в химической лаборатории. Основными источниками литературных данных были: научные статьи и книги, написанные ведущими учеными по теме работы, а также результаты исследований ведущих компаний в исследуемой области.

---

Оформите заказ курсовой на сайте Work5.

---

Применение современных данных позволило провести всестороннее изучение поставленных задач и найти их решение. Новизна предложенной темы заключается в комплексном исследовании, предметом которого стал состав и физико-химические особенности фотокатализаторов g-C3N4 допированных кислородом и диоксидом титана. По результатам работы разработаны и обоснованы методы синтеза указанных соединений и получения детальной информации о их свойствах. Выполнен синтез и исследование полученных образцов фотокатализаторов с помощью современных методов анализа и оборудования, что позволило получить практические навыки выполнения экспериментов. Продемонстрирована возможность их использования в окислении органических соединений. Теоретическая ценность представленной работы состоит в том, что в ней впервые показана высокая каталитическая активность фотокатализаторов g-C3N4 допированные кислородом и диоксидом титана проявляют в реакциях разрушения органического красителя Родамина Б в присутствии кислорода и света. Это позволяет предполагать, что исследованные катализаторы могут катализировать реакции окисления других органических веществ, в т.ч. биологического происхождения (например, COVID - 19). Полученные данные согласуются с ранее опубликованными данными и научно-исследовательскими работами, проводимыми по всему миру. Области применения результатов работы - экология, медицина, химия, сельское хозяйство, производство самоочищающихся материалов.

В процессе выполнения курсового проекта были решены следующие задачи: - Выполнен обзор научной и патентной литературы по теме исследования; - Дано определению понятию фотокатализатор; Фотокатализатор - это вещество, которое поглощая свет, увеличивает скорость химической реакции; - Изучены основы фотокаталитических реакции; Установлено, что выделяют четыре класса реакций, протекающих с участием фотокатализаторов. Основными реакциями протекающими в ходе фотокатализа являются - окисление и восстановление; - Изучены области применения фотокатализаторов. Установлено, что фотокатализаторы могут применяться в медицине, сельском хозяйстве, химической промышленности, охране окружающей среды, производстве самоочищающихся материалах; - Изучен опыт и основные успехи в синтезе фотокатализаторов g-C3N4 допированных анионами. С помощью допирования в структуру фотокатализаторов можно вводить Cl, P, O, S, B, I, что приводит к увеличению их эффективности в фотокаталитических реакциях. Допирование анионами может быть совмещено с введением в структуру фотокатализатора катионов металлов; - Рассмотрено применение g-C3N4 в фотокатализе. Установлено, что допированные g-C3N4 соединения являются уникальными катализаторами, которые можно применять от медицины до химической технологии; - Проработана методика проведения эксперимента по получению и исследованию свойств фотокатализаторов. Установлено, что основным сырьем для получения фотокатализаторов g-C3N4 является меламин. - Дано описание лабораторной установки. Показано, что светодиодные лампы по сравнению с традиционными ртутными источниками света являются более подходящими для проведения фотокаталитических реакций; - Приведены методики анализа полученных веществ; - Изучены и описаны свойства используемых в работе материалов и реактивов; - Описаны экспериментальные исследования; - Описаны методы исследований; - Обоснована необходимость проведения конкретных экспериментальных работ. Показано, что рентгеноструктурные методы анализа, сканирующая электронная микроскопия, ИК-спектроскопия и УФ-Вид спектрофотометрия позволяют всесторонне охарактеризовать фотокатализаторы; - Описаны результаты, полученные в данной работе. Показано, что в зависимости от условий синтеза можно направленно изменять физико-химические характеристики композитов. Установлено, что при термообработке смеси диоксида титана и меламина можно получать недопированные (TiO2/g-C3N4) и допированые кислородом (O-TiO2/g-C3N4) фотокатализаторы. Выявлено, что для всех композитов характерно формирование g-C3N4 с сопряженной ароматической структурой. Все полученные в работе соединения проявляют фотокаталитическую активность. Но наибольшую активность показал допированый фотокатализатор кислородом и диоксидом титана. Это позволяет рассматривать его как перспективный катализатор для дальнейших исследований.

1. Coronado J. M. A historical introduction to photocatalysis // Design of Advanced Photocatalytic Materials for Energy and Environmental ApplicationsSpringer, 2013. ‒ C. 1-4. 2. Meryem S. S., Nasreen S., Siddique M., Khan R. An overview of the reaction conditions for an efficient photoconversion of CO2 // Reviews in Chemical Engineering. ‒ 2018. ‒ T. 34, № 3. ‒ C. 409-425. 3. Zhu S., Wang D. Photocatalysis: basic principles, diverse forms of implementations and emerging scientific opportunities // Advanced Energy Materials. ‒ 2017. ‒ T. 7, № 23. ‒ C. 1700841. 4. Tahir M. B., Sohaib M., Sagir M., Rafique M. Role of nanotechnology in photocatalysis // Reference Module in Materials Science and Materials Engineering. ‒ 2020. 5. Shieh K.-J., Li M., Lee Y.-H., Sheu S.-D., Liu Y.-T., Wang Y.-C. Antibacterial performance of photocatalyst thin film fabricated by defection effect in visible light // Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. ‒ 2006. ‒ T. 2, № 2. ‒ C. 121-126. 6. Vicente R., Soler J., Arques A., Amat A. M., Frontistis Z., Xekoukoulotakis N., Mantzavinos D. Comparison of different TiO2 samples as photocatalyst for the degradation of a mixture of four commercial pesticides // Journal of Chemical Technology & Biotechnology. ‒ 2014. ‒ T. 89, № 8. ‒ C. 1259-1264. 7. Tzirakis M. D., Lykakis I. N., Orfanopoulos M. Decatungstate as an efficient photocatalyst in organic chemistry // Chemical Society Reviews. ‒ 2009. ‒ T. 38, № 9. ‒ C. 2609-2621. 8. Qi K., Liu S.-y., Zada A. Graphitic carbon nitride, a polymer photocatalyst // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. ‒ 2020. ‒ T. 109. ‒ C. 111-123. 9. Hamidi A., Taghavizadeh Yazdi M. E., Amiri M. S., Hosseini H. A., Darroudi M. Biological synthesis of silver nanoparticles in Tribulus terrestris L. extract and evaluation of their photocatalyst, antibacterial, and cytotoxicity effects // Research on Chemical Intermediates. ‒ 2019. ‒ T. 45, № 5. ‒ C. 2915-2925. 10. Raizada P., Soni V., Kumar A., Singh P., Khan A. A. P., Asiri A. M., Thakur V. K., Nguyen V.-H. Surface defect engineering of metal oxides photocatalyst for energy application and water treatment // Journal of Materiomics. ‒ 2021. ‒ T. 7, № 2. ‒ C. 388-418. 11. Nasir A. M., Awang N., Hubadillah S. K., Jaafar J., Othman M. H. D., Salleh W. N. W., Ismail A. F. A review on the potential of photocatalysis in combatting SARS-CoV-2 in wastewater // Journal of Water Process Engineering. ‒ 2021. ‒ T. 42. ‒ C. 102111. 12. Patnaik S., Sahoo D. P., Parida K. Recent advances in anion doped g-C3N4 photocatalysts: a review // Carbon. ‒ 2021. ‒ T. 172. ‒ C. 682-711. 13. Ivanets A., Prozorovich V. Effect of melamine acidic treatment on g-C3N4 physicochemical properties and catalytic activity // Water and Water Purification Technologies. Scientific and Technical News. ‒ 2020. ‒ T. 28, № 3. ‒ C. 26-36. 14. Иванец А., Прозорович В., Саркисов В. УСПЕХИ В ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ // УСПЕХИ В ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Учредители: Российский химико-технологический университет им. ДИ Менделеева. ‒ 2021. ‒ T. 35, № 13. ‒ C. 34-36. 15. Иванец А. Синтез, структура и морфология композитов на основе феррита магния и нитрида углерода // Доклады Национальной академии наук Беларуси. ‒ T. 65 ‒, 2021. ‒ C. 178-184. 16. Jiang L., Zeng F., Zhong R., Xie Y., Wang J., Ye H., Ling Y., Guo R., Zhao J., Li S. TiO2 Nanowires with Doped g-C3N4 Nanoparticles for Enhanced H2 Production and Photodegradation of Pollutants // Nanomaterials. ‒ 2021. ‒ T. 11, № 1. ‒ C. 254. 17. Wu Z., Zhao Y., Mi L., Guo Y., Wang H., Liu K., Zhang K., Wang B. Preparation of g-C3N4/TiO2 by template method and its photocatalytic performance // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. ‒ 2021. ‒ T. 624. ‒ C. 126756. 18. Бондаренко М., Силенко П., Солонин Ю., Рагуля А., Губарени Н., Загорный М., Хижун О., Остаповская Н. Наноструктурный композит для фотокаталитического применения O-g-C3N4/TiO2, полученный синтезом О-допированного нитрида углерода на поверхности наночастиц анатаза //. ‒ 2020. 19. Denisov N., Chubenko E., Bondarenko V., Borisenko V. Black ZnO/C nanocomposite photocatalytic films formed by one-step sol–gel technique // Journal of Sol-Gel Science and Technology. ‒ 2018. ‒ T. 85, № 2. ‒ C. 413-420. 20. Martín-Sómer M., Pablos C., van Grieken R., Marugán J. Influence of light distribution on the performance of photocatalytic reactors: LED vs mercury lamps // Applied Catalysis B: Environmental. ‒ 2017. ‒ T. 215. ‒ C. 1-7. 21. Бойко М., Шарков М., Бойко А., Конников С., Бобыль А., Будкина Н. Исследование атомной, кристаллической, доменной структуры материалов на основе анализа дифракционных и абсорбционных рентгеновских данных (обзор) // Журнал технической физики. ‒ 2015. ‒ T. 85, № 11. ‒ C. 1. 22. Колесник И., Саполетова Н. Инфракрасная спектроскопия // М.: МГУ им. МВ Ломоносова. ‒ 2011. 23. Смирнова T., Бадалян A., Яковкина Л., Шмаков A., Асанов И., Борисов В. Состав и структура пленок, синтезированных из силильных производных несимметричного диметилгидразина // Неорганические материалы. ‒ 2003. ‒ T. 39, № 2. ‒ C. 163-169. 24. Родионов И. А., Зверева И. А. Фотокаталитическая активность слоистых перовскитоподобных оксидов в практически значимых химических реакциях // Успехи химии. ‒ 2016. ‒ T. 85, № 3. ‒ C. 248-279. 25. Putri L. K., Ng B.-J., Er C.-C., Ong W.-J., Chang W. S., Mohamed A. R., Chai S.-P. Insights on the impact of doping levels in oxygen-doped gC3N4 and its effects on photocatalytic activity // Applied Surface Science. ‒ 2020. ‒ T. 504. ‒ C. 144427.