氮化碳-鈦酸鎳復合材料及其制備方法與應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于復合材料的制備技術領域，涉及一種光催化納米復合材料及其制備方法與應用，具體涉及到一種氮化碳-鈦酸鎳復合材料及其制備方法與應用。
【背景技術】
[0002]近年來，光催化技術已廣泛應用于處理廢水中的無機和有機污染物。很多光催化材料如金屬氧化物，硫化物和氮化物已得到了廣泛的關注和研究。在這些光催化劑中，鈣鈦礦氧化物具有穩(wěn)定的結構，在光催化領域表現(xiàn)出良好的光催化活性。其中，鈦酸鎳(NiT13)屬于鈦鐵礦結構的三角晶系，以其適合的帶隙(2.18 eV)和很好的太陽光響應特性，在光催化領域有潛在的應用前景。然而單獨將鈦酸鎳作為光催化劑時，由于其較窄的帶隙能量和較低的量子效率而導致其光催化活性不高。因此，通過與其它材料復合去改善NiT13的光催化性能變得非常必要。
[0003]石墨相氮化碳(g_C3N4)是一種新型無金屬聚合物，具有層疊的二維結構，較小的帶隙(2.7 eV)以及光響應范圍廣的半導體光催化劑。因此，g_C3N4可用來作為一種有效的助催化劑提高半導體材料的光催化活性。
[0004]迄今為止，g_C3N4/NiTi03復合材料的合成工作尚未見報道。鑒于此，開發(fā)和提供一種制備工藝簡單、性能優(yōu)良的g-C3N4/NiTi03復合材料是非常必要的。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種光催化性能優(yōu)異、穩(wěn)定性強、循環(huán)利用性高，具有高的比表面積以及高的光催化活性位點的氮化碳-鈦酸鎳復合材料，還提供了一種制備工藝簡單、操作性高、成本低的氮化碳-鈦酸鎳復合材料的制備方法以及該氮化碳-鈦酸鎳復合材料在降解染料廢水中的應用。
[0006]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案:
一種氮化碳-鈦酸鎳復合材料，所述氮化碳-鈦酸鎳復合材料包括氮化碳和鈦酸鎳，所述鈦酸鎳沉積于所述氮化碳表面構成氮化碳-鈦酸鎳復合材料。
[0007]上述的氮化碳-鈦酸鎳復合材料，優(yōu)選的，所述氮化碳的質量分數(shù)為10%?27.3%。
[0008]作為本發(fā)明的同一技術構思，本發(fā)明還提供了一種氮化碳-鈦酸鎳復合材料的制備方法，包括以下步驟:
(1)將雙氰胺溶于乙二醇中，得到含雙氰胺的乙二醇溶液；
(2)將醋酸鎳和鈦酸四丁酯加入步驟(I)所得的含雙氰胺的乙二醇溶液進行聚合反應得到反應產(chǎn)物；
(3)將所述步驟(2)所得的反應產(chǎn)物煅燒得到氮化碳-鈦酸鎳復合材料。
[0009]乙二醇(EG)是一個雙齒配體，能與金屬離子形成鏈狀結構的金屬乙醇酸的聚合物。在上述步驟(2)的聚合反應過程中，鈦酸鎳，鈦酸四丁酯，乙二醇生成N1-T1-EG聚合物。
[0010]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(I)中所述含雙氰胺的乙二醇溶液中雙氰胺的濃度為1.5g/L?5g/Lo
[0011]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，所述醋酸鎳和鈦酸四丁酯的摩爾比為I: 1醋酸鎳和鈦酸四丁酯的摩爾比高于1:1則醋酸鎳過量，會生出雜質氧化鎳；醋酸鎳和鈦酸四丁酯的摩爾比低于1:1則鈦酸四丁酯過量，會產(chǎn)生二氧化鈦。
[0012]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)還包括反應產(chǎn)物的后處理步驟，具體為:將所述反應產(chǎn)物用乙醇洗滌后，在溫度為40°C?60°C的環(huán)境下干燥6h?12h。
[0013]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，所述煅燒過程中，以5°C /min?10°C /min的升溫速率升溫至550°C?560°C。
[0014]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，煅燒時間為2h?3h，煅燒溫度為550°C?560°C ο煅燒溫度高于600°C氮化碳容易發(fā)生熱損失，煅燒溫度低于550°C會影響鈦酸鎳的生成，因此，優(yōu)選的煅燒溫度為550°C?560°C。
[0015]作為本發(fā)明的同一技術構思，本發(fā)明還提供了一種上述的氮化碳-鈦酸鎳復合材料或上述的制備方法制備得到的氮化碳-鈦酸鎳復合材料在降解廢水中的硝基苯的應用。
[0016]上述的應用，優(yōu)選的，包括以下步驟:將所述氮化碳-鈦酸鎳復合材料和乙醇添加到廢水中，在可見光下進行光催化反應，完成對有機污染物的降解，所述氮化碳-鈦酸鎳復合材料的添加量為0.3g/L?0.6g/L，所述乙醇的添加量為2v/v%?5v/v%。
[0017]上述的應用，優(yōu)選的，在避光條件下將所述氮化碳-鈦酸鎳復合材料添加到廢水中并攪拌。
[0018]上述的應用，優(yōu)選的，所述可見光的光源為300W?500W的氙燈。
[0019]上述的應用，優(yōu)選的，所述氙燈與所述廢水的液面距離為14cm?16cm。
[0020]上述的應用，優(yōu)選的，所述光催化反應的時間為60min?120min。
[0021]上述的應用，優(yōu)選的，所述廢水中硝基苯的濃度為20mg/L?40mg/L。
[0022]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1、本發(fā)明提供了一種氮化碳-鈦酸鎳復合材料，穩(wěn)定性強、循環(huán)利用性高，具有高的比表面積以及高的光催化活性，高比表面積可以為吸附污染物提供更多的活性位點，有助于光催化，因此，本發(fā)明的氮化碳-鈦酸鎳復合材料在光催化降解廢水中污染物具有潛在應用；且以一維結構的NiT1jft米棒作為基體，相比于零維、二維和三維結構，其具有傳輸電子速率快、光吸收強、強度大、不易團聚以及吸附面積大等優(yōu)點。
[0023]2、本發(fā)明提供了一種氮化碳-鈦酸鎳復合材料的制備方法，利用乙二醇媒介路線結合煅燒的方法制備氮化碳-鈦酸鎳復合材料，乙二醇是一個雙齒配體，能與金屬離子形成鏈狀結構的金屬乙醇酸的聚合物；本發(fā)明在在乙二醇的作用下，鈦酸鎳，鈦酸四丁酯，乙二醇生成N1-T1-EG聚合物，N1-T1-EG聚合物經(jīng)過煅燒后得到氮化碳-鈦酸鎳復合材料。本發(fā)明的制備方法工藝簡單，其反應條件容易控制、操作方法簡單及成本低廉。
[0024]3、本發(fā)明的氮化碳-鈦酸鎳復合材料在可見光下具有很好的光催化性能，可廣泛用于光降解染料廢水領域，特別適用于光降解硝基苯染料廢水，具有工藝簡單、操作便捷、催化效果好等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0025]為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。
[0026]圖1為g-C3N4、NiT13以及本發(fā)明實施例1中的氮化碳-鈦酸鎳復合材料對應的XRD衍射圖譜。
[0027]圖2為g_C3N4、NiT13以及本發(fā)明實施例1中的氮化碳-鈦酸鎳復合材料對應的SEM 圖。
[0028]圖3為g_C3N4、NiT13以及本發(fā)明實施例1?3中的氮化碳-鈦酸鎳復合材料對應的紫外-可見漫反射吸收光譜圖。
[0029]圖4為本發(fā)明中的氮化碳-鈦酸鎳復合材料光催化降解廢水中的硝基苯的降解原理圖。
[0030]圖5為g_C3N4、NiT13以及本發(fā)明實施例1中的氮化碳-鈦酸鎳復合材料光催化降解廢水中的硝基苯對應的時間-降解效率的關系圖。
[0031]圖6為本發(fā)明實施例1?3中的氮化碳-鈦酸鎳復合材料光催化降解廢水中的硝基苯對應的時間-降解效率的關系圖。
[0032]圖7是本發(fā)明實施例1中的氮化碳-鈦酸鎳復合材料循環(huán)反應五次的光催化性能曲線。
【具體實施方式】
[0033]以下結合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。
實施例
[0034]以下實施例中所采用的材料和儀器均為市售。
[0035]實施例1:
一種本發(fā)明的氮化碳-鈦酸鎳復合材料，包括氮化碳和鈦酸鎳，其中氮化碳為塊狀，鈦酸鎳為棒狀，棒狀的鈦酸鎳沉積于塊狀的氮化碳表面，其中氮化碳的質量分數(shù)為18.4%。
[0036]分別對g-C3N4、NiT13W及本實施例的氮化碳-鈦酸鎳復合材料(g_C 3N4/NiTi03)的比表面積進行檢測，通過BET的測量，g_C3N4、NiT13以及本實施例的氮化碳-鈦酸鎳復合材料(g_C3N4/NiTi03)的比表面積分別為 10.238 m2 g_1，57.138 m2 g_1，61.284 m2 g-1，可見g-C3N4/NiTi03M料的比表面積比兩個單體大；高比表面積可以為吸附污染物提供更多的活性位點，這有助于光催化，因此，本發(fā)明的氮化碳-鈦酸鎳復合材料具有高的光催化活性。
[0037]—種上述本實施例的氮化碳-鈦酸鎳復合材料的制備方法，包括以下步驟:
(1)稱取300mg雙氰胺攪拌溶于10ml乙二醇溶液中，得到含雙氰胺的乙二醇溶液；
(2)將2.48g醋酸鎳和3.4mL鈦酸四丁酯加入步驟(I)所得的含雙氰胺的乙二醇溶液中，不斷攪拌，待溶液由綠變藍后，再持續(xù)攪拌2h以確保反應完全，然后離心，倒掉上清液，得反應產(chǎn)物；
(3)采用乙醇對步驟(2)所得反應產(chǎn)物進行洗滌離心，得藍色前軀體凝聚物，將藍色前軀體凝聚物置于干燥箱中以60 °C真空干燥6h得前軀體；
(4)將步驟(3)所得的前軀體放入馬弗爐內，以5°C/min的升溫速率升溫至550°C開始煅燒，煅燒時間為2h，煅燒完后自然冷卻，將產(chǎn)物取出，用研缽研磨至粉末狀，得到氮化碳-鈦酸鎳復合材料。
[0038]圖1為g-C3N4、NiT13以及本實施例的氮化碳-鈦酸鎳復合材料(g_C 3N4/NiTi03-18.4%)對應的XRD衍射圖譜。從圖中可以看出，單純g_C3N4在27.4°處存在明顯的衍射峰，它對應于g_C3N4的特征衍射峰(100)。對圖中NiT1 3譜線進行分析得出，在衍射角約為 24.1° ,33.1° ,35.7° ,40.9° ,49.5° ,54.0°，62.5° 和 64.0。處，存在(012)，(104)，(110)，(113)，(024)，(116)，(214)和(300)的峰，NiT13的衍射峰對應于卡片(JCPDS n0.33-0960) ο 而 g_C3N4/NiTi(y^ XRD 衍射圖譜呈現(xiàn)了 g_C 3N4和 NiT1 3的所有特征衍射峰。
[0039]圖2為g_C3N4、NiT13以及本實施例的氮化碳-鈦酸鎳復合材料(-C 3N4/NiTi03-18.4%)對應的SEM圖。其中(a)圖為g_C3N4，(b)圖為NiT13, (c)圖和(d)圖為本實施例的氮化碳-鈦酸鎳復合材料。從(a)圖中可以看出，g_C3N4呈不規(guī)則塊狀，從(b)圖中可以看出，NiT13呈大小不一的棒狀，從(c)圖和(d)圖可以看出部分棒狀NiT13沉積在塊狀g_C3N4表面，部分則出現(xiàn)在塊狀g_C 3N4的塊與塊之間的間隙中。
[0040]實施例2:
一種本發(fā)明的氮化碳-鈦酸鎳復合材料，包括氮化碳和鈦酸鎳，其中氮化碳為塊狀，鈦酸鎳為棒狀，棒狀的鈦酸鎳沉積于塊狀的氮化碳表面，其中氮化碳的質量分數(shù)為10%。
[0041]—種上述本實施例的氮化碳-鈦酸鎳復合材料的制備方法，與實施例1的制備方法的區(qū)別僅在于步驟(I)中雙氰胺用量為150mg，其余步驟均相同。
[0042]實施例3:
一種本發(fā)明的氮化碳-鈦酸鎳復合