氮化碳光催化材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种包含碳化合物的催化剂，特别是涉及一种用于在可见光下催化降解污染物的光催化材料。

背景技术：

石墨型氮化碳作为一种半导体光催化材料正受到越来越广泛的关注。然而单一相的

g-c3n4催化剂因其高电子-空穴复合率，低可见光利用率，低比表面积，低电子传输效率和易团聚的形貌限制了其在光催化领域的应用。

为了更进一步地提高氮化碳的光催化活性，可以通过加入模板(sba-15、kit-6和表面活性剂等)来对氮化碳的形貌进行控制，加入模板能够提高氮化碳的孔径和比表面积，从而提高氮化碳的光催化活性。目前已有报道的用于复合的半导体有in2o3，wo3，tio2，cds，biwo4，ag3po4，invo4，srtio3，卤氧铋等。以cds为例，cds的价带在1.9ev，导带在-0.5ev，氮化碳的光生电子更负，会注入导带低的cds，而cds的光生空穴电势更正，会流向氮化碳，从而使电子空穴对在空间上分离，二者的协同作用也使其在催化效果上也优于单一的cds或氮化碳。

然而上述方法均存在制备方法复杂或原料成本高的缺点，不能满足工业化要求。因此急需开发一种低成本，易制备，使用简单的光催化材料。

技术实现要素：

本发明是为了解决以上技术问题而提供了一种具有高可见光吸收能力的改性g-c3n4光催化剂的制备方法及其在可见光催化处理污染物中的应用，采用本发明的技术方案将2,4-二氨基嘧啶与双氰胺共聚制得的氮化碳光催化材料，在可见光下，有机分子掺杂型氮化碳对甲基橙的催化降解效率显著提高，从而能够应用于降解染料废水。

本发明涉及一种氮化碳光催化材料及其制备方法和应用，所述方法包括以下步骤：

(1)将双氰胺与2,4-二氨基嘧啶混合，加水加热溶解后，蒸干水分，得到蒸干后的混合物；

(2)将蒸干后混合物加热至400～700℃保持2～6h，冷却后研磨成粉，即制得本发明的氮化碳光催化材料。

优选地，所述步骤(1)中双氰胺与2,4-二氨基嘧啶的质量比为3：(0～0.1)。

优选地，所述步骤(1)中双氰胺与2,4-二氨基嘧啶的质量比为3：(0.06～0.09)。

优选地，所述步骤(1)中双氰胺与2,4-二氨基嘧啶的质量比为3:0.08。

优选地，所述步骤(1)的具体操作步骤为：将双氰胺和2,4-二氨基嘧啶加入水中，加热到70～80℃保持温度至双氰胺和2,4-二氨基嘧啶溶解，然后加热至100℃蒸干水分，得到蒸干后的混合物。

优选地，所述步骤(2)加热至550℃保持4h，加热时升温速率为15℃/min，加热在马弗炉中进行。

本发明还涉及一种氮化碳光催化材料，所述氮化碳光催化材料是按照上述任意一种方法制备得到的。

本发明还涉及一种氮化碳光催化材料的应用，所述氮化碳光催化材料用于在可见光下催化降解污染物。

优选地，所述污染物为甲基橙。

本发明氮化碳光催化材料及其制备方法和应用与现有技术不同之处在于：

(1)采用本发明的方法制备得到的产品透光性好，材料结构更疏松，比表面积较未掺杂的氮化碳更大

(2)采用本发明的方法制备得到的产品可见光吸收性能较未掺杂的氮化碳更好

(3)本发明氮化碳光催化材料的制备方法制得的产品在可见光下，对甲基橙的催化降解效率显著提高，从而能够应用于降解染料废水。

附图说明

图1为实施例1和2制备方法制备的催化剂xrd对比图；

图2为实施例1方法制备的催化剂电子透射显微镜下的透射电镜图；

图3为实施例2方法制备的催化剂电子透射显微镜下的透射电镜图；

图4为实施例1和实施例2方法制备的固体紫外-可见漫发射光谱图；

图5为实施例3方法所得到的催化曲线。

具体实施方式

通过以下实施例和验证试验对本发明的氮化碳光催化材料及其制备方法和应用作进一步的说明。

实施例1

本实施例的氮化碳光催化材料的制备方法按以下步骤进行：

称取3g双氰胺置于50ml刚玉坩埚中，再加15ml水升温至80℃溶解，后100℃蒸干水分，接着放置于马弗炉中以15℃/min的速率升温至550℃，并在550℃保持4h，然后自然冷却至室温后研磨成粉，标记为cn。

实施例2

本实施例的氮化碳光催化材料的制备方法按以下步骤进行：

称取3g双氰胺置于50ml刚玉坩埚中，加掺杂单体2,4-二氨基嘧啶0.08g，再加15ml水升温至80℃溶解，后100℃蒸干水分，接着放置于马弗炉中以15℃/min的速率升温至550℃，并在550℃保持4h，然后自然冷却至室温后研磨成粉状，标记为cn-pa。

实施例3

本实施例的氮化碳光催化材料的制备方法与实施例2的不同之处在于：加入的2,4-二氨基嘧啶的量为0.01g。

实施例4

本实施例的氮化碳光催化材料的制备方法与实施例2的不同之处在于：加入的2,4-二氨基嘧啶的量为0.1g。

实施例5

本实施例的氮化碳光催化材料的制备方法与实施例2的不同之处在于：加入的2,4-二氨基嘧啶的量为0.06g。

验证试验1

将按实施例1和2方法制备的催化剂，经x射线衍射仪扫描后，见图1，根据两种催化剂在13°和27.4°出现衍射峰，推测制得的产物为石墨型氮化碳，经过分子掺杂后并没有改变石墨型氮化碳的结构。

验证试验2

将按实施例1和2方法制备的催化剂，经过透射电镜后，见图2和图3，其中图2为氮化碳的透射电镜图，图3为分子掺杂氮化碳透射电镜图。分子掺杂氮化碳的电镜图片颜色深浅不一，说明透光性好，材料结构更疏松，比表面积较未掺杂的氮化碳更大。

验证试验3

将按实施例1和2方法制备的催化剂，样品的光谱吸收性能通过固体紫外-可见漫发射光谱来表征，见图4，分子掺杂氮化碳的可见光吸收性能较未掺杂的氮化碳更好。

验证试验4

采用按实施例1和2方法制备的催化剂进行降解甲基橙实验，取0.3g催化剂加入到50ml去离子水中，超声5min使催化剂分散均匀，后再加入20mg/l甲基橙溶液50ml，分散液置于暗处30min，吸取2ml分散液为第一个样，标为0。随后将反应罐置于可见光照射下，并通冷凝水保持反应温度恒定。光照时每1h取样一次，共取5个样，分别标为1、2、3、4、5，所取样品均需放置于暗环境中。取样完成后将6个样品中的催化剂用离心机分离出来，取上清液用紫外-可见分光光度计测试甲基橙的浓度变化。

按实施例1和2的方法制备得到的催化剂在可见光下催化甲基橙的降解曲线，见图5，计算得到按实施例2方法制备的催化剂5h后光催化效率为75％，而按实施例1方法制备的催化剂5h后光催化效率为34％。

上述验证试验证明，将2,4-二氨基嘧啶与双氰胺共聚得到的产品在可见光下，有机分子掺杂型氮化碳对甲基橙的催化降解效率显著提高，从而能够应用于降解染料废水。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。