一种可见光驱动高效催化氧化甲苯的g-C3N4/TiO2催化剂及其制备方法和应用与流程

一种可见光驱动高效催化氧化甲苯的g-c3n4/tio2催化剂及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及光催化剂技术领域，具体涉及一种可见光驱动高效催化氧化甲苯的g-c3n4/tio2催化剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.甲苯(c7h8)是一种常用的重要化工原料，大量应用于溶剂以及作为汽油添加剂以提高汽油辛烷值，并且在家装领域也存在甲苯的大量使用。甲苯的大量使用及其易挥发的理化性质导致其在室内外空气中的浓度升高，具有刺激人类及动物的皮肤和粘膜，损伤人体神经系统等危害。
3.太阳光是一种可持续能源，用太阳光作为能量供给以去除空气中的vocs一直被人们认为是一种有前景的技术，尤其是净化室内空气具有其独特的优势。而技术的重点及难点在于光催化剂的选择，目前主流的催化剂选择以tio2为主，但是传统的tio2催化剂应用于vocs光氧化有严重缺点：首先是tio2主要吸收紫外光，对可见光的吸收非常弱，而实际场景中太阳光主要以可见光和红外光形式存在；其次是单纯tio2光生电子空穴复合速率快，导致催化效率低。而作为另一种半导体光催化剂的g-c3n4对可见光的响应强，但是其能带结构导致了其氧化性不足。
4.之前大多数研究大局限于静态的光催化氧化甲苯，而显然连续流动的光催化去除甲苯更符合实际应用场景且连续流动的光催化反应更考验催化剂的活性及稳定性。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述问题，本发明所要解决的第一技术问题在于提供一种可见光驱动高效催化氧化甲苯的g-c3n4/tio2催化剂的制备方法；本发明所要解决的第二技术问题在于提供上述制备方法制备得到的可见光驱动高效催化氧化甲苯的g-c3n4/tio2催化剂；本发明所要解决的第三技术问题在于提供g-c3n4/tio2催化剂在可见光下高效催化氧化甲苯中的应用。
6.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种可见光驱动高效催化氧化甲苯的g-c3n4/tio2催化剂的制备方法，包括以下步骤：
8.1)将g-c3n4前体与tio2按不同质量比进行研磨，混合均匀；
9.2)将步骤1)得到的混合物转移至马弗炉中以5℃/min的升温速率升至550℃煅烧4小时得到g-c3n4/tio2催化剂。
10.进一步的，将g-c3n4前体与tio2按1∶1-5∶1的质量比进行研磨混合均匀。
11.进一步的，将g-c3n4前体与tio2按2∶1的质量比进行研磨混合均匀。
12.进一步的，g-c3n4前体为尿素。
13.上述制备方法制备得到的可见光驱动高效催化氧化甲苯的g-c3n4/tio2催化剂。
14.g-c3n4/tio2催化剂在可见光下高效催化氧化甲苯中的应用。
15.进一步的，催化氧化甲苯的反应在光催化反应设备中进行，光催化反应设备包括配气系统、光催化反应器和气相色谱；配气系统通过一个主通道质量流量计控制总进气流速，然后分流为三路：水汽鼓泡瓶、甲苯鼓泡瓶、剩余气体通路，三路气体流速分别为5ml/min、1ml/min、44ml/min；光催化反应器包括氙灯光源、滤光片和载棉片。
16.进一步的，滤光片为420nm滤光片，用于截留波长小于420nm的紫外光；载棉片用于放置g-c3n4/tio2催化剂。
17.进一步的，催化氧化甲苯的反应在光催化反应设备中常压连续流动条件下进行，总气流流速为50ml/min。
18.有益效果：相比于现有技术，本发明的优点为：
19.1)本申请催化剂来源于尿素与tio2研磨共热分解，成本低，制备简单环保，易于量产；
20.2)本申请经过煅烧后形成g-c3n4掺杂的tio2结构，提升了催化剂对可见光的吸收；提升了光生电子和空穴的分离效率，表现出卓越的光催化氧化活性及稳定性；
21.3)本申请催化剂适用于常规空气条件下对甲苯的连续去除。
附图说明
22.图1是实施例所用的光催化氧化反应器整体图；
23.图2是实施例所用的光反应器组成图；
24.图3是实施例所用催化剂的实拍图；
25.图4是实施例1制备得到的催化剂的tem图；
26.图5是实施例1制备得到的催化剂的xrd分析图；
27.图6是实施例所用的催化剂连续可见光催化去除甲苯的活性表现图；
28.图7是实施例所用催化剂光催化去除甲苯所产生的co2图；
29.图8是实施例所用催化剂的紫外可见漫反射吸收光谱(uv-vis drs)图；
30.图9是实施例所用催化剂的光电流分析图；
31.图10是实施例所用催化剂的荧光光谱(pl)分析图。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。以下实施例中如无特殊说明，所用实验方法均为常规方法。
33.实施例1
34.一种可见光驱动高效去除甲苯的g-c3n4/tio2催化剂的制备方法，具体步骤如下：
35.(1)将g-c3n4前体(尿素)与tio2以质量比2∶1进行研磨混合均匀；
36.(2)将步骤(1)中混合物移至马弗炉中以5℃/min的升温速率升至550℃煅烧4小时得到g-c3n4/tio2催化剂，并记录为ut2。
37.通过对上述催化剂进行元素分析，发现该催化剂中含c、n比例分别为0.05％、0.19％。并且xrd图谱上并未出现g-c3n4的特征峰，是g-c3n4在tio2上掺杂量太少的原因。但是通过tem照片可以看出在tio2中少量掺杂的g-c3n4片层结构。
38.实施例2
39.除了尿素与tio2的质量比改为1∶1，其余过程均同实施例1，得到催化剂ut1。
40.实施例3
41.除了尿素与tio2的质量比改为3∶1，其余过程均同实施例1，得到催化剂ut3。
42.实施例4
43.除了尿素与tio2的质量比改为4∶1，其余过程均同实施例1，得到催化剂ut4。
44.实施例5
45.除了尿素与tio2的质量比改为5∶1，其余过程均同实施例1，得到催化剂ut5。
46.上述实施例制备的催化剂的c、n元素分析含量表如下表1所示：
47.表1各催化剂的c、n元素分析含量表
[0048] tio2ut1ut2ut3ut4ut5c元素(％)-0.010.050.071.283.18n元素(％)-0.090.190.52.325.97
[0049]
实施例6
[0050]
利用上述实施例制备的催化剂在可见光驱动下连续氧化去除甲苯，包括以下步骤：
[0051]
a)提供光催化反应设备；
[0052]
b)在光催化反应器中提供g-c3n4/tio2催化剂以及驱动光催化氧化反应所需的可见光源。
[0053]
图1为本申请的光催化反应设备整体图。具体而言，该设备包括三部分。第一部分48为配气系统，通过一个主通道质量流量计控制总进气流速，然后分流为三路：水汽鼓泡瓶、甲苯鼓泡瓶、剩余气体通路，本申请中三路气体流速分别为5ml/min、1ml/min、44ml/min；第二部分为49光催化反应器，其具体构造在图2展示，包括氙灯光源51、420nm滤光片52用于截留波长小于420nm的紫外光、载棉片53用于支撑粉末催化剂；第三部分为气相色谱(中教金源，7920a)，其中不带甲烷转化炉的氢离子火焰检测器(fid1)用于检测气相甲苯浓度，带甲烷转化炉的氢离子火焰检测器(fid2)用于尾气co2浓度，所用色谱条件为进样器温度260℃、柱箱温度80℃、检测器1(fid1)温度180℃、检测器2(fid2)温度100℃。
[0054]
反应在常压连续流动条件下进行，甲苯初始浓度约为30ppm，湿度20％rh，总气流流速50ml/min，催化剂用量100mg均匀平铺于载棉片上，在进行避光吸附20min后开灯进行反应3h。
[0055]
评价结果如图6所示，其中ut2活性最佳，几乎达到了95％的去除率(去除率＝1-c
out
/c
in
)并且在3小时连续去除中保持稳定活性，活性次佳的是ut1，然后是ut3，而作为对比的g-c3n4活性很低，过多掺杂g-c3n4的ut4、ut5与纯tio2活性相差无几，看出g-c3n4掺杂具有一个最佳的掺入量，过多或过少将使得活性降低。除了甲苯转化率以外，产物的co2选择性也非常重要，图7是各催化剂的co2选择性，从图上可见与转化率相似的顺序。ut2具有最高的co2选择性。图8显示出了催化剂对紫外及可见光的吸收，可以看出g-c3n4的少量掺入增强了催化剂对可见光的吸收。图9表现了几种催化剂的光电流，可以看出相比纯g-c3n4，复合催化剂的光电流响应明显增强。图10是各催化剂的荧光光谱，响应越高代表光激发的电子空穴复合速率越快，侧面反映了g-c3n4的掺入增强了催化剂的电子空穴分离效率。