Synteza, charakterystyka i właściwości fotokatalityczne modyfikowanego g-C3N4 oraz układu hybrydowego BiVO4/Au/g-C3N4

Niniejsza praca dotyczy syntezy oraz charakterystyki fizykochemicznej oraz modyfikacji półprzewodnika polimerowego - grafitopodobnego-C3N4. Polimer ten jest dobrze znany w literaturze, posiada liczne zalety, a łatwość modyfikacji na etapie syntezy pozwala na poprawę jego właściwości, decydujących o jego potencjale aplikacyjnym. W pracy przedstawiono zmiany strukturalne zachodzące w polimerze w wyniku jego domieszkowania niemetalami - siarką (poprzez zmianę prekursora użytego do syntezy) oraz borem (poprzez wygrzewanie g-C3N4 z NaBH4), a następnie powiązano je ze zmianami aktywności foto(elektro)katalitycznej. g-C3N4 stanowił w pracy związek referencyjny względem zaproponowanych modyfikacji, dlatego zmiany w strukturze, morfologii, właściwościach elektrochemicznych i spektroskopowych odnoszone były do tego polimeru. Zmodyfikowane polimery zastosowano w fotokatalitycznym rozkładzie zanieczyszczeń organicznych oraz w elektrokatalitycznym wydzielaniu wodoru i elektrochemicznej redukcji tlenu. W drugiej części pracy wytworzony został układ trójskładnikowy BiVO4/Au/g-C3N4, działający zgodnie ze schematem Z, aby ograniczyć proces rekombinacji fotowygenerowanych elektronów i dziur w obu półprzewodnikach. Następnie zastosowano ten układ do fotokatalitycznej degradacji duloksetyny, aktywnego składnika popularnego leku antydepresyjnego. Zaproponowano prawdopodobne ścieżki rozkładu na podstawie wyników HPLC-MS. Badania te uzupełniono testami toksyczności roztworów po fotokatalizie.

This thesis concerns the synthesis and physicochemical properties of a pure and modified polymer semiconductor – graphitic-like carbon nitride (g-C3N4). This polymer is well-known in literature and has been widely used in photocatalysis. It can be easily modified during or after synthesis to improve its activity which is crucial for practical applications of this polymer. The structural modifications of g-C3N4 presented in this work consisted in doping with non-metals - sulfur (by changing the precursor used in the synthesis) and boron (by annealing the polymer with NaBH4). The changes in the structure, morphology, electrochemical, and spectroscopic properties of the modified polymers were related to those of pure g-C3N4, used as the reference compound. The modified polymers obtained in this work were applied in the photocatalytic degradation of organic compound (methyl orange) as well as in electrocatalytic oxygen reduction (ORR) and hydrogen evolution reaction (HER). In the second part of the thesis, the ternary Z-scheme BiVO4/Au/g-C3N4 composite was elaborated to hinder the electron-hole recombination in both semiconductors. This system was applied as a photocatalyst in the visible-light-driven degradation of duloxetine – an active compound of popular antidepressant. Based on HPLC-MS and LC-MS results, the most probable degradation pathways were proposed. The research was complemented by toxicity tests of the solutions collected after photocatalysis.