一種氮化碳異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及屬于光催化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氮化碳異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)及全球環(huán)境的惡化，能源和環(huán)境是21世紀(jì)人類面臨和亟待解決的重大問(wèn)題。太陽(yáng)能是一種可再生能源，具有取之不盡用之不竭、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。光催化技術(shù)作為一種“綠色”技術(shù)，可以利用太陽(yáng)光作為光源，不僅可以用于處理水污染的問(wèn)題，而且還可以用于處理大氣污染、土壤污染、殺菌等多個(gè)方面，顯示出了極其廣闊的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]近年來(lái)石墨相氮化碳g_C3N4由于其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、特殊的電子能帶結(jié)構(gòu)、不含金屬組分、對(duì)可見(jiàn)光響應(yīng)等特點(diǎn)引起研究人員的極大興趣，由于g_C3N4為聚合物材料，具有很高的激子結(jié)合能和較低結(jié)晶度，不利于光生電子-空穴對(duì)的快速迀移和高效分離，從而導(dǎo)致其光催化過(guò)程存在光生電子-空穴復(fù)合嚴(yán)重、量子效率低等不足，嚴(yán)重制約其在能源和環(huán)境領(lǐng)域的大規(guī)模推廣應(yīng)用(ACS Appl.Mater.1nterfaces 2014，6，16449-16465 ; ACSCatal.2012,2,1596-1606)。
[0004]因此，為了改善石墨相氮化碳的可見(jiàn)光催化活性，研究人員開展了石墨相氮化碳的改性研究。半導(dǎo)體復(fù)合就是利用兩種甚至多種半導(dǎo)體組分性質(zhì)差異的互補(bǔ)性，來(lái)抑制光生載流子的復(fù)合和拓展光響應(yīng)范圍，從而提高光催化效率(0^111.50(3.1?^.，2014，43，5234-5244) Jong等同時(shí)對(duì)硫脲和尿素前驅(qū)體進(jìn)行高溫焙燒制備了g-C3N4/g-C3N4異質(zhì)結(jié)(ACSAppl.Mater.1nterfaces 2013，5，11392-11401)，兩種不同前驅(qū)體焙燒的 g_C3N4 具有不同的帶隙寬度，內(nèi)建電場(chǎng)促進(jìn)了光生電荷-空穴的分離，提高光催化效率。Wang等(Angew.Chem.1nt.Ed.2012，51，10145-10149)采用三聚硫氰酸在g-C3N4表面聚合反應(yīng)后高溫焙燒形成CNS/g-C3N4異質(zhì)結(jié)，內(nèi)建電場(chǎng)有效分離了光生電子-空穴對(duì)，提高光催化活性。上述改性的可見(jiàn)光催化劑有效提高了量子效率，提供了更多的活性位點(diǎn)，改善了其對(duì)可見(jiàn)光的利用率，但是對(duì)降解污染物的光催化活性提高幅度不高，反應(yīng)步驟涉及多步焙燒步驟，燃燒產(chǎn)物造成環(huán)境的污染而且制備時(shí)間較長(zhǎng)。
[0005]隨著對(duì)g-C3N4研究的不斷深入，研究者們發(fā)現(xiàn)超薄的g-C3N4納米片(一般為幾個(gè)原子層的厚度甚至單原子層厚)相對(duì)于其塊體材料在一些領(lǐng)域表現(xiàn)出更突出的理化性能:更好的吸附能力，更強(qiáng)的氧化能力和更高的電導(dǎo)性。以此為基礎(chǔ)，將會(huì)衍生更多的g_C3N4納米片基復(fù)合材料(CN 104801329 A，CN103934012 A,CN 103785434 A，)。然而，基于g_C3N4納米片與g-C3N4構(gòu)建異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料并將其應(yīng)用于環(huán)境污染物光催化降解反應(yīng)目前未見(jiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種氮化碳異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法和應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的:
[0008]本發(fā)明由g-C3N4納米片和g_C3N4組成，所述g_C3N4納米片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %?40%，所述g_C3N4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%?80% ;其具體制備方法包括以下步驟:
[0009](I)將三聚氰胺置于加蓋的坩禍，以2.3°C/min的升溫速度在馬弗爐中升溫至5500C，保持4h，自然冷卻后所得的黃色粉即為塊體g-C3N4;
[0010](2)將4.0g g_C3N4、52g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的H2S04、和20g含游離SO3約20?25%的發(fā)煙硫酸依次加入到燒瓶中，在140°C下攪拌2h，自然冷卻，隨之注入到去離子水中，過(guò)濾收集白色產(chǎn)物，去離子水洗滌，干燥，所得白色粉末為g_C3N4納米片；
[0011](3)將步驟(I)、(2)所得的g-C3N4納米片和g-C3N4分別分散于50mL甲醇中，超聲Ih，將懸浮液混合超聲并置于通風(fēng)廚揮發(fā)2h，甲醇溶液揮發(fā)干后，即得到由g_C3N4納米片和g-C3N4復(fù)合而成的異質(zhì)結(jié)光催化劑。
[0012]優(yōu)選地，所述g-C3N4納米片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，所述g_C3N4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:
[0014]本發(fā)明是一種氮化碳異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法和應(yīng)用，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單、成本低，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，選擇晶型互相匹配且存在能級(jí)交錯(cuò)的g_C3N4納米片與g_C3N4構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，有利于提高光的利用率，并促進(jìn)電子空穴對(duì)的有效迀移，分離氮化碳導(dǎo)帶上的光生電子從而提高光催化效率。實(shí)驗(yàn)表明，由該發(fā)明方法制備的g_C3N4納米片/g_C3N4復(fù)合光催化劑具有高效的可見(jiàn)光催化降解水中污染物性能，降解率較純氮化碳有大幅度提尚。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為實(shí)施例1?例3制備的g-C3N4納米片/g_C3N4異質(zhì)結(jié)以及純的ACNS和g-C3N4的X射線衍射(XRD)譜圖；
[0016]圖2為實(shí)施例1?例3制備的g-C3N4納米片/g_C3N4異質(zhì)結(jié)以及純的ACNS和g-C3N4的紅外光譜(FTIR)譜圖；
[0017]圖3為實(shí)施例1制備的g-C3N4納米片/g_C3N4異質(zhì)結(jié)的X射線光電子能譜(XPS)譜圖。圖3a為ACNS和g-C3N4的Nls譜，圖3b為實(shí)施例1制備的g-C3N4納米片/g_C3N4異質(zhì)結(jié)的Nls譜，圖3c為ACNS的C12p譜，圖3d為實(shí)施例1制備的g-C3N4納米片/g_C3N4異質(zhì)結(jié)的C12p譜；
[0018]圖4為實(shí)施例1制備的g_C3N4納米片/g_C3N4異質(zhì)結(jié)的透射電子顯微鏡照片(TEM);
[0019]圖5為實(shí)施例1?例3制備的g_C3N4納米片/g_C3N4異質(zhì)結(jié)催化劑、無(wú)催化劑時(shí)、商用P25為催化劑時(shí)以及純的ACNS和g-C3N4存在下的甲基橙降解曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0021]實(shí)施例1本發(fā)明由g-C3N4納米片和g_C3N4組成，所述g_C3N4納米片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%?40%，所述g_C3N4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%?80% ;其具體制備方法包括以下步驟:
[0022](I)將三聚氰胺置于加蓋的坩禍，以2.3°C/min的升溫速度在馬弗爐中升溫至5500C，保持4h，自然冷卻后所得的黃色粉即為塊體g-C3N4;
[0023](2)將4.0g g_C3N4、52g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的H2SO4、和20g含游離SO3約20?25 %的發(fā)煙硫酸依次加入到燒瓶中，在140°C下攪拌2h，自然冷卻，隨之注入到去離子水中，過(guò)濾收集白色產(chǎn)物，去離子水洗滌，干燥，所得白色粉末為g_C3N4納米片；
[0024](3)將步驟(I)、(2)所得的g_C3N4納米片和g_C3N4分別分散于50mL甲醇中，超聲Ih，將懸浮液混合超聲并置于通風(fēng)廚揮發(fā)2h，甲醇溶液揮發(fā)干后，即得到由g_C3N4納米片和g-C3N4復(fù)合而成的異質(zhì)結(jié)光催化劑。將該樣品標(biāo)為30wt % ACNS/g-C3N4。
[0025]優(yōu)選地，所述g_C3N4納米片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，所述g_C3N4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%。
[0026]對(duì)樣品30wt%ACNS/g-C3N4分別進(jìn)行 XRD、FTIR、XPS 和TEM 測(cè)試。圖1為g-C3N4 納米片、g-C3N4和ACNS/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的XRD譜圖，ACNS的(100)