异质结光催化薄膜的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于光催化薄膜领域，涉及一种g-C3N4/Ti02异质结光催化薄膜的制备方法 及其应用。
【背景技术】
[0002] 能源短缺和环境污染是21世纪人类社会所面临的重大挑战，光催化技术的应用为 能源利用和环境保护带来了新的契机。薄膜材料往往具有块状材料所不具备的优异性能， 更适于推广应用，因此光催化薄膜不仅在研究领域，而且在工业生产中及生活应用中越来 越引起广泛关注。TiO 2作为半导体光催化领域中研究最广、最具实用意义的材料之一，具有 廉价无毒、光催化效率高、性能稳定等优点。然而，目前TiO 2光催化薄膜只对在太阳光谱中 比例不到5%的紫外光有吸收，太阳能利用率非常低，另外，TiO2的光生载流子复合率很高， 极大的限制TiO 2的大规模应用。
[0003] 非金属半导体g_C3N4是近些年来备受关注的材料，其独特的三嗪环状结构和高度 缩聚赋予了它非常高的稳定性，抗酸、抗碱、抗光腐蚀。g_C 3N4的禁带宽度2.7eV，对可见光具 有一定的吸收，另外还具有与石墨烯同样的高比表面积、电子传输速度极快，结构和性能易 于调控等优点。然而，g_C 3N4主要通过热聚合法制备得到其粉体，难以成膜。当前，制备薄膜 g-C3N4的方法主要是激光溅射、气相沉积和电化学方法，这些方法操作复杂、对仪器设备要 求高，耗能量大，难以实现大规模工业化生产和发展，限制推广应用。
[0004] 中国专利CN103464131A通过简单的溶胶法、合理的激光改性和退火工艺成功在陶 瓷基片上制备了具有可见光波段优异光催化性能的氧化钛薄膜。专利CN102864481A采用磁 控溅射、阳极氧化钛膜以及热处理在玻璃上制备二氧化钛光催化薄膜，具有高透光性和高 光催化反应速率常数等优点，可满足自清洁玻璃、空气和废水净化等光催化领域需求。但这 些专利所制备的光催化薄膜均存在制备工艺复杂，需要激光和高温处理等问题。因此，开发 制备工艺简单、经济节能、易于推广的低温高效光催化薄膜对于光催化材料在改善环境方 面的应用具有极其重要的意义。
【发明内容】
[0005] 为克服现有技术中的问题，本发明的目的在于，提供一种g-C3N4/Ti02异质结光催 化薄膜的制备方法及其应用，根据异质结原理，在TiO 2基础上加入能带匹配的g_C3N4,有效 的提高了光催化材料的光能利用率;将粉体的g_C 3N4以TiO2溶胶为载体，制备在可见光下高 效降解NOx的g-C 3N4/Ti02异质结光催化薄膜，拓展了 g-C3N4粉体的应用空间；将新型高效光 催化异质结薄膜推广应用于空气中NO x等污染物的降解。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种g-C3N4/Ti02异质结光催化薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0008] (1)制备 g-C3N4/Ti02 复合溶胶：
[0009] 水解钛酸四丁酯制得TiO2溶胶，将TiO2溶胶与通过g_C 3N4乙醇悬浮液按照体积比 I: (1-20)混合均匀，得g-C3N4/Ti02复合溶胶；
[0010] (2)制备g-C3N4/Ti02异质结光催化薄膜：
[0011 ]将g-C3N4/Ti02复合溶胶喷涂在基底上，干燥后得到g-C3N4/Ti0 2异质结光催化薄 膜，其中，所述干燥通过自然风干或者在烘箱烘干。
[0012] TiO2溶胶通过以下方法制得：向盐酸溶液中加入钛酸四丁酯，室温下水解、陈化2 ~3周，得到TiO 2溶胶;其中，盐酸溶液与钛酸四丁酯的体积比为10:1。
[0013] 盐酸溶液的浓度为0.12m〇l/L。
[0014] 所述g_C3N4乙醇悬浮液通过以下方法制得:将g_C3N4加入到乙醇中，在400W功率下 超声4~IOh，得到g-C3N4乙醇悬浮液;其中，g_C3N4与乙醇的比为(O.OOlg~1.0)g: IOOmL。 [0015]所述步骤⑵中将g-C3N4/Ti0 2复合溶胶喷涂在基底上，得g-C3N4/Ti02异质结光催 化薄膜的具体过程为:将g_C 3N4/Ti02复合溶胶于高压喷枪喷壶中，6KPa压力下在基底上均 匀喷涂2~4次，干燥后得g-C 3N4/Ti02异质结光催化薄膜。
[0016] 所述烘干的温度不高于100°C。
[0017] 所述基底为玻璃、陶瓷或不锈钢板。
[0018] -种g-C3N4/Ti〇2异质结光催化薄膜的用途，g-C3N4/Ti〇2异质结光催化薄膜在降解 空气中NOx污染物的应用。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
[0020] 1.本发明通过将g-C3N4乙醇悬浮液与TiO2溶胶混合后进行喷涂，得到g-C 3N4/Ti〇2 异质结光催化薄膜。TiO2溶胶作为载体将可见光利用率高的g-C3N 4粉体制成薄膜，克服了将 g-C3N4用于环境污染物处理时不易回收的问题。本发明中将g-C3N 4/Ti02复合溶胶喷涂在基 底上后，干燥采用自然风干即可，克服了现有技术中需要激光或者高温处理的复杂过程，并 且该制备方法简便，开创性的将g_C 3N4做成薄膜，该光催化异质结薄膜耦合了光催化异质结 材料制备和低温镀膜技术(即干燥温度较低），操作简单、设备要求低，实现了将光催化材料 大面积在基底上镀膜的应用；
[0021 ] 2.本发明以TiO2溶胶为载体和胶黏剂，制备的g-C3N4/Ti0 2异质结光催化薄膜，提 高了光催化材料的光能利用率，拓展了 g_C3N4粉体的应用空间，提高了 TiO2光催化剂对太阳 光的利用率，可见光下光催化降解污染物效率明显增强，能够用于空气中NOx等污染物的降 解，对NO的降解可达到30%以上，并且稳定性好、可重复利用。
[0022]进一步的，基底为普通玻璃、陶瓷、不锈钢板等，可以扩展镀膜的应用。
【附图说明】
[0023]图1为FTO玻璃基底、TiO2薄膜、g-C3N4/Ti02异质结光催化薄膜的SEM图；其中，（a) 为FTO玻璃基底，（b)为TiO2薄膜、（c)为g-C3N4/Ti02异质结光催化薄膜。
[0024]图2为TiO2粉体、g-C3N4粉体、g_C3N4/Ti0 2异质结光催化粉体的紫外可见-漫反射 图；其中，（a)为TiO2粉体、（b)为g-C3N4粉体、（c)为g-C3N4/Ti0 2异质结光催化粉体。
[0025]图3为在可见光下TiO2薄膜、g-C3N4薄膜、g_C3N4/Ti0 2异质结光催化薄膜对NO降解 效率图。其中，（a)为TiO2薄膜，（b)为g-C3N4薄膜，（c)为g-C3N4/Ti0 2异质结光催化薄膜。
【具体实施方式】
[0026]下面结合【具体实施方式】和附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不 仅限于下列实施例。
[0027] 实施例1
[0028] -种高效g-C3N4/Ti〇2异质结光催化薄膜的制备，包括以下步骤：
[0029] (1)采用胶溶法，将12mL钛酸四丁酯加入120mL 0.12mol/L盐酸溶液中，室温下水 解、陈化2周，得到TiO2溶胶；
[0030] 采用超声粉碎法制备g-C3N4乙醇悬浮液:将g-C3N4分散于乙醇中，在400W功率下连 续超声4h，得到g-C 3N4乙醇悬浮液;其中，g_C3N4与乙醇的比为0.001g: IOOmL。
[0031] 将TiO2溶胶和g-C3N4悬浮液按照体积比1:1混合均匀，得到g-C 3N4/Ti〇2复合溶胶；
[0032] (2)将g-C3N4/Ti02复合溶胶采用压力喷涂法，在6KPa压力下于10*10cm 2玻璃基底 上喷涂2~4次，自然风干，得到g-C3N4/Ti02异质结光催化薄膜。
[0033] 实施例2
[0034]与实施例1的不同在于TiO2溶胶和g_C3N4悬浮液体积比1: 5。
[0035] 实施例3
[0036]与实施例1的不同在于TiO2溶胶和g_C3N4悬浮液体积比1:10。
[0037] 实施例4
[0038]与实施例1的不同在于TiO2溶胶和g-C3N4悬浮液体积比1:20。
[0039] 实施例5
[0040]向质量浓度为0.12mol/L的盐酸溶液中加入钛酸四丁酯，室