一种可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂及其制备方法与流程

本发明涉及光催化技术领域，特别是一种可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂，以及该种光催化剂的制备方法。

背景技术：

能源危机和环境污染是全球关注的两个主要议题，光催化过程可以将太阳能转化为化学能并去除环境污染物，因此光催化剂的发展是人们关注的热点。然而，传统的光催化剂必须在光照的条件下才能起作用，这导致光催化技术在许多实际应用中受到限制。如果能够制备出一种在有光和无光条件下都能保持光催化活性的光催化剂，将扩大光催化的应用范畴，更有利于光催化剂和光催化领域的发展。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有技术所存在的上述不足，提出一种在无光条件下仍然可以使用，且不含金属元素的光催化剂，同时还公开了该种光催化剂的制备方法。

本发明的技术解决方案是：一种可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂，其特征在于：所述的光催化剂由以下质量份数的原料组成：

功能化的碳纳米管3-15

石墨烯1-5

氮化碳20-60。

一种制备如上所述的可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂的方法，其特征在于：所述的方法按照以下步骤进行：

首先将碳纳米管放入到14.5mol/l的浓硝酸和18.4mol/l的浓硫酸的混合液中，且浓硝酸与浓硫酸的体积比为1:3，并将混合液加热至60-80℃，并保温2-6h，对混合液进行抽滤或者离心处理，然后洗涤直至中性，得到功能化的碳纳米管，

然后将功能化的碳纳米管放入到体积比为3:2的水和异丙醇的混合液中，持续搅拌2-6h，获得碳纳米管分散液，且保证在碳纳米管分散液中，碳纳米管的浓度为9-18mg/ml，然后向碳纳米管分散液中加入石墨烯，并在磁力搅拌器上持续搅拌3-5h，之后超声处理2-4h，获得碳纳米管/石墨烯分散液，将氮化碳放入到碳纳米管/石墨烯分散液中，超声处理1-5h，获得终分散液，将终分散液在140-180℃的条件下水热反应10-24h，然后自然冷却至室温，在-50至-20℃的条件下冷冻干燥2-12h，即得到光催化剂。

所述的石墨烯为氧化石墨烯或还原氧化石墨烯。

所述的氮化碳为纳米单层的氮化碳或纳米多层的氮化碳。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

本发明所公开的可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂，与传统的光催化剂相比，即使在光催化过程中入射光的光照停止，本种光催化剂仍然能够保持光催化活性。本发明所公开的光催化剂既可以利用紫外光作为入射光，也可以利用可见光作为入射光。它将碳纳米管和石墨烯作为光催化剂的组成材料，可以实现光生电子的存储，在光照条件下，光催化剂可以将光生电子存储于催化剂中；而当无光照射时，存储的光生电子重新释放出来，利用这一原理来实现在有光和无光条件下都能保持光催化活性的目的。同时，由于金属元素的稀缺性，导致含有金属元素材料的价格相对较高。而包括碳、氮、氧在内的非金属元素在地球上储量丰富，因此本种光催化剂的整体成本也可以控制在一个较低的范围内。同时，本发明所公开的制备这种光催化剂的方法，其工艺简单可行，无需任何昂贵的设备，且利于操作和推广，因此可以说这种光催化剂及其制备方法具备了多种优点，其市场前景十分广阔。

附图说明

图1是本发明所述的光催化剂的扫描电镜图片。

图2是本发明所述的光催化剂的透射电镜图片。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1、图2所示：一种可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂，由以下质量份数的原料组成：功能化的碳纳米管3-15份，石墨烯1-5份，氮化碳20-60份，这里的石墨烯可以为氧化石墨烯或还原氧化石墨烯；这里的氮化碳可以为纳米级的单层的氮化碳，也可以为纳米级的多层的氮化碳；

一种制备如上所述的可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂的方法，按照以下步骤进行：

首先将碳纳米管放入到浓硝酸（14.5mol/l）和浓硫酸（18.4mol/l）的混合液中，上述的浓硝酸与浓硫酸的体积比为1:3，并将混合液加热至80℃，并保温2-6h，对混合液进行抽滤或者离心处理，然后洗涤直至中性，得到功能化的碳纳米管，

然后将功能化的碳纳米管放入到体积比为3:2的水和异丙醇的混合液中，持续搅拌2-6h，获得碳纳米管分散液，需要保证在碳纳米管分散液中，碳纳米管的浓度为9-18mg/ml，然后向碳纳米管分散液中加入石墨烯，并在磁力搅拌器上持续搅拌3-5h，之后超声处理2-4h，获得碳纳米管/石墨烯分散液，将氮化碳放入到碳纳米管/石墨烯分散液中，超声处理1-5h，获得终分散液，将终分散液在140-180℃的条件下水热反应10-24h，然后自然冷却至室温，并在-50至-20℃的条件下冷冻干燥2-12h，即得到光催化剂。

实施例：

取如下质量份数的原料：碳纳米管0.9g，氧化石墨烯0.3g，纳米单层氮化碳3.6g，

以水和异丙醇混合物作为分散剂，将碳纳米管，氧化石墨烯，纳米单层氮化碳混合均匀，通过水热反应制备出可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂，具体方法如下：

首先将碳纳米管加入浓硝酸和浓硫酸的混合液（其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为1:3）里，并加热到80℃，保温4个小时，真空抽滤后洗涤，得到功能化的碳纳米管；

将0.9g的功能化的碳纳米管放入到总体积为60ml的水和异丙醇的混合物中（其中水和异丙醇的体积比为3:2），持续搅拌3h，待功能化的碳纳米管在水和异丙醇的混合物中分散均匀后，即获得碳纳米管分散液，然后将0.3g的氧化石墨烯放入到碳纳米管分散液中，并持续搅拌3h，之后超声处理4h，分散均匀后，向其中加入3.6g的纳米单层氮化碳，在磁力搅拌器上持续搅拌3h，超声处理5h，直至形成分散均匀的终分散液；

将上述的终分散液放入高温反应釜中，在150℃的条件下水热反应24h，然后自然冷却至室温，在-45℃的条件下冷冻干燥10h，即获得可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂。

对光催化过程的机理分析可知，光生电子是启动光催化反应的关键。如果制备一种催化剂，在光照条件下，光催化剂可以将光生电子存储于催化剂中；当无光照射时，存储的光生电子重新释放出来，就可以实现在有光和无光条件下都能保持光催化活性。本发明所述的光催化剂就是基于上述想法，将电容材料作为光催化剂的一部分，并利用电容材料进行光生电子的存储和释放；

碳纳米管和石墨烯作为一种超级电容材料，具有突出的物理化学性质，包括良好的储存电子能力，优异的导电性能，超大的比表面等。因此，将其作为光催化剂的组成材料，可以实现光生电子的存储；

本发明的可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂为灰色、内部呈现多孔结构的光催化剂。将此光催化剂先在氙灯下光照5h，然后选择苯酚作为模拟环境污染物，在无光照的条件下，其仍然可以降解水中的苯酚，表明其在无光条件下仍具有一定的催化活性。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂，其特征在于：所述的光催化剂由以下质量份数的原料组成：功能化的碳纳米管3‑15，石墨烯1‑5，氮化碳20‑60。它与传统的光催化剂相比，即使没有光照也仍保持光催化活性。同时本发明公开的制备该种光催化剂的方法，工艺简单可行，且无需昂贵的设备，方便灵活，利于操作和推广，因此可以说该种可在无光条件下使用的不含金属元素的光催化剂具备了多种优点，特别适合于在本领域中推广应用，其市场前景十分广阔。

技术研发人员：王华;张奇;刘萱;刘璐;丛佳
受保护的技术使用者：大连海洋大学
技术研发日：2017.04.10
技术公布日：2017.08.04