一种三氧化二铬掺杂的碳化氮复合可见光催化剂、制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及可见光催化技术领域，特别涉及一种三氧化二铬氧化物与g_C3N4的复合可见光催化剂及制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]环境污染是全世界关注的焦点问题之一，探索一些方法简单、耗能低、效能高，能控制环境污染的技术是目前环境处理中的研究热点。光催化技术是一种新型高级氧化技术，其利用半导体材料在光照射的条件下发生光生载流子的分离，产生具有氧化性或还原性的自由基，这种活性自由基能无选择性地降解水中的有机污染物，是一种低成本的环境友好型的水处理技术。此外，光催化技术还具有反应条件温和，设备简单，二次污染小，易于操作控制，适应范围广等优点。其中作为光催化技术的核心，光催化剂的探索成为关键。目前，人们大多利用T12进行紫外光催化降解。但是，紫外光仅占太阳光的3%-5%，而可见光约占太阳光能的43%，因此，开发低成本、高效能的可见光催化剂应用于降解有机污染物的研究显得非常有现实意义。
[0003]g_C3N4作为一种碳化氮同素异形体，是一种由三嗪环和锥形氮桥组合而成的类石墨相的层状结构，具有较高的化学稳定性、不错的吸电子结构和可见光响应活性，并且原料价格便宜，是一种很好的有机半导体。目前已有相关报道g_C3N4在可见光作用下可以进行光解水制氢、降解染料分子或其他有机物等，但是活性均比较低。因此，寻求制备高活性、低成本的g_C3N4相关材料具有很好的挑战性。而以双氰胺小分子和硝酸铬为前驱体，通过在一定的温度下进行缩聚的同时发生化学健合的方法制得g_C3N4负载金属氧化物，以及将其应用于有机物降解方面迄今还未见相关报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种具有高可见光响应的三氧化二铬掺杂的碳化氮(Cr2O3Og-C3N4)复合光催化剂、制备方法及其在可见光催化降解有机污染物中的应用。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]一种三氧化二铬掺杂的碳化氮复合可见光催化材料，由以下步骤制备而得:
[0007]( I)称取碳氮源溶解于水中，充分搅拌溶解；
[0008](2)称取硝酸铬，溶解在步骤(I)所得溶液中，并继续搅拌充分溶解；
[0009](3)将步骤(2)所得的混合溶液烘干，在惰性气氛下焙烧，冷却研磨，洗涤、干燥后，得到三氧化二铬掺杂的碳化氮复合材料；
[0010]其中，所述的惰性气氛为氮气、氩气中的一种或两种。
[0011]步骤(I)中所述的碳氮源为氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿素、氰尿酸、硫脲中的一种或几种。
[0012]步骤(3)中焙烧温度为400-800°C，焙烧时间为l_10h。
[0013]硝酸铬与碳氮源的物质量比为0.001-0.1。
[0014]所述的碳氮源为双氰胺，具体制备方法为:
[0015](I)将4g双氰胺(C2H4N4)加热充分搅拌溶于20ml水中；
[0016](2)将0.4g Cr (NO3) 3.9H20加入步骤(I)所述的溶液中，充分溶解；
[0017](3)将步骤(2)得到的混合溶液在60-100°C下烘干；
[0018](4)将步骤(3)中烘干所述产物放入氮气气氛保护的马弗炉中，550_750°C焙烧4h_8h。
[0019]将权利要求1中所述的催化剂用于水中目标有机污染物的可见光催化降解，并对催化剂进行回收再利用。
[0020]目标污染物为罗丹明B、亚甲基蓝、甲基橙、酸性橙、磺酰罗丹明B。
[0021]本发明与现有技术相比具有如下优点和效果:
[0022](I) Cr2O3Og-C3N4复合可见光催化剂对可见光具有响应，能够更好地利用太阳能，在能源利用方面具有更好的前景。
[0023](2) Cr2O3Og-C3N4复合可见光催化剂能够抑制催化剂表面电子与空穴的复合，提高光催化效率。
[0024](3) Cr2O3Og-C3N4复合可见光催化剂制备工艺简单，操作方便，成本低，可应用于环保领域，特别是应用于可见光催化降解水体中有机污染物。因此，本发明对解决环境问题和能源危机具有一定的现实意义。
【附图说明】
[0025]为能对本发明有进一步的了解，下面以实施例并结合附图作详细描述，其中:
[0026]图1是实施例1所得Cr2O3Og-C3N4复合可见光催化剂的透射电子显微镜图。
[0027]图2是实施例1所得Cr2O3Og-C3N4复合可见光催化剂的X射线粉末衍射(XRD)图
-1'TfeP曰。
[0028]图3是实施例1所得Cr2O3Og-C3N4复合可见光催化剂的X射线光电子能谱(XPS)图谱(a)全谱，(b)Cr2p的窄谱。
[0029]图4是实施例1所得Cr2O3Og-C3N4复合可见光催化剂对罗丹明B连续5次降解性能图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0031]实施例1
[0032]称取4.0g的双氰胺，溶解于水中。然后称取0.4g Cr(NO3)3AH2O溶于上述溶液中，持续搅拌，烘干水分。随后放入管式炉，氮气保护，600°C煅烧4h，得到对应的Cr2O3Og-C3N4复合光催化材料。测试该材料对于罗丹明B的光催化降解性能，如图4所示。
[0033]实施例2
[0034]称取4.0g的双氰胺，溶解于水中。然后称取0.8g Cr(NO3)3AH2O溶于上述溶液中，持续搅拌，烘干水分。随后放入管式炉，氮气保护，600°C煅烧4h，得到对应的Cr2O3Og-C3N4复合光催化材料。测试该材料对于罗丹明B的光催化降解性能，可见光照射9h后，罗丹明B的去除率可以达到70.1%。
[0035]实施例3
[0036]称取4.0g的双氰胺，溶解于水中。然后称取0.04g Cr(NO3)3.9H20溶于上述溶液中，持续搅拌，烘干水分。随后放入管式炉，氮气保护，600°C煅烧4h，得到对应的Cr2O3Og-C3N4复合光催化材料。测试该材料对于罗丹明B的光催化降解性能，可见光照射9h后，罗丹明B的去除率可以达到51.1%。
[0037]实施例4
[0038]称取5.0g的氰胺，溶解于水中。然后称取0.4g Cr (NO3) 3.9H20溶于上述溶液中，持续搅拌，烘干水分。随后放入管式炉，氮气保护，400°C煅烧4h，得到对应的Cr2O3Og-C3N4复合光催化材料，可见光照射9h后，罗丹明B的去除率可以达到42.3%。
[0039]实施例5
[0040]称取3.0g的三聚氰胺，溶解于水中。然后称取0.4g Cr(NO3)3.9H20溶于上述溶液中，持续搅拌，烘干水分。随后放入管式炉，氮气保护，700°C煅烧4h，得到对应的Cr2O3Og-C3N4复合光催化材料，可见光照射9h后，罗丹明B的去除率可以达到94.6%。
[0041]实施例6
[0042]称取5.0g的尿素,溶解于水中。然后称取0.3g Cr(NO3)3.9Η20溶于上述溶液中，持续搅拌，烘干水分。随后放入管式炉，氮气保护，500°C煅烧6h，得到对应的Cr2O3Og-C3N4复合光催化材料，可见光照射9h后，罗丹明B的去除率可以达到59.7%。
[0043]实施例7
[0044]称取2.5g的氰尿酸，溶解于水中。然后称取0.25g Cr (NO3)3.9H20溶于上述溶液中，持续搅拌，烘干水分。随后放入管式炉，氮气保护，750°C煅烧6h，得到对应的Cr2O3Og-C3N4复合光催化材料，可见光照射9h后，罗丹明B的去除率可以达到90.2%。
[0045]实施例8
[0046]称取5.5g的硫脲，溶解于水中。然后称取0.45g Cr (NO3) 3.9Η20溶于上述溶液中，持续搅拌，烘干水分。随后放入管式炉，氮气保护，550°C煅烧5h，得到对应的Cr2O3Og-C3N4复合光催化材料，可见光照射9h后，罗丹明B的去除率可以达到75.3%。
【主权项】
1.一种三氧化二铬掺杂的碳化氮复合可见光催化材料，其特征在于由以下步骤制备而得: (1)称取碳氮源溶解于水中，充分搅拌溶解； (2)称取硝酸铬，溶解在步骤(I)所得溶液中，并继续搅拌充分溶解； (3)将步骤(2)所得的混合溶液烘干，在惰性气氛下焙烧，冷却研磨，洗涤、干燥后，得到三氧化二铬掺杂的碳化氮复合材料； 其中，所述的惰性气氛为氮气、氩气中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述三氧化二铬掺杂的碳化氮复合可见光催化材料，其特征在于: 步骤(I)中所述的碳氮源为氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿素、氰尿酸、硫脲中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述三氧化二铬掺杂的碳化氮复合的可见光催化材料，其特征在于: 步骤(3)中焙烧温度为400-800°C，焙烧时间为l-10h。
4.根据权利要求1所述三氧化二铬掺杂的碳化氮复合的可见光催化材料，其特征在于: 硝酸铬与碳氮源的物质量比为0.001-0.1。
5.根据如上所述任一一项权利要求中所述的三氧化二铬掺杂的碳化氮复合可见光催化材料的制备方法，其特征在于: 所述的碳氮源为双氰胺，具体制备方法为: (1)将4g双氰胺(C2H4N4)加热充分搅拌溶于20ml水中； (2)将0.4gCr(NO3)3.9H20加入步骤(I)所述的溶液中，充分溶解； (3)将步骤(2)得到的混合溶液在60-100°C下烘干； (4)将步骤(3)中烘干所述产物放入氮气气氛保护的马弗炉中，550-750°C焙烧4h_8h。
6.一种三氧化二铬掺杂的碳化氮复合可见光催化剂的应用，其特征在于: 将权利要求1所述的催化剂用于水中目标有机污染物的可见光催化降解，并对催化剂进行回收再利用。
7.根据权利要求6所述的三氧化二铬掺杂的碳化氮复合可见光催化剂的应用，其特征在于: 目标污染物为罗丹明B、亚甲基蓝、甲基橙、酸性橙、磺酰罗丹明B。
【专利摘要】本发明公开了一种制备三氧化二铬掺杂的碳化氮（Cr2O3g-C3N4）复合可见光催化材料的方法及其应用。本发明通过将硝酸铬与碳氮源溶解充分混合，烘干，然后置于惰性氛围中焙烧得到Cr2O3g-C3N4的复合可见光催化剂。将其用于罗丹明B溶液的可见光催化降解处理中可取得较好的去除效果，且该催化剂在回用五次后仍保持较高的催化活性。该复合可见光催化剂克服了单一材料的光转化效率及活性低的缺点，具有光相应范围宽、可见光催化活性高等优点，并且成本低，制备过程简单易控。可应用于环保领域，特别是应用于可见光催化降解水体中有机污染物，应用前景广。
【IPC分类】C02F1-30, C02F1-58, B01J27-24
【公开号】CN104707639
【申请号】CN201310691188
【发明人】樊芸, 陈吉平, 张海军
【申请人】中国科学院大连化学物理研究所
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2013年12月13日