钾离子掺杂石墨相氮化碳纳米片光催化剂及其制备方法与流程

本发明涉及纳米材料制备领域，尤其涉及一种钾离子掺杂石墨相氮化碳纳米片光催化剂(k/g-c3n4)及其制备方法。

背景技术：

现如今，选矿厂废水中残留大量的黄药捕收剂。黄药具有刺激性臭味，易溶于水，能与某些重金属离子形成不溶于水的螯合物，严重影响矿区周边的生态环境，危害周边居民身体健康。因此，选矿废水中黄药的去除刻不容缓。半导体光催化技术是一种无毒、高效、成本低廉的新型环境净化技术。其中石墨相氮化碳(g-c3n4)被认为是继tio2之后第二代最具发展潜力的光催化材料。然而当前合成的氮化碳普遍存在可见光响应范围窄、光生电子空穴对易于复合等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钾离子掺杂石墨相氮化碳纳米片光催化剂及其制备方法，使钾离子掺杂g-c3n4纳米片光催化剂具有优异的可见光响应的光催化性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

钾离子掺杂石墨相氮化碳纳米片光催化剂，所述的钾离子掺杂石墨相氮化碳为片层状结构。

钾离子掺杂石墨相氮化碳纳米片光催化剂的制备方法，采用球磨法结合空气氧化蚀刻法，具体包括如下步骤：

1)称量4-6g三聚氰胺于带有盖子的坩埚中，放置在马弗炉中，以1.5-2.5℃/min的速率升温至540-560℃，在这个温度下煅烧3.8-4.2h，将所得样品在研钵中研磨成粉末；

2)称取0.9-1.2g步骤1)中得到的粉末与氢氧化钾于球磨机中，摩尔比mol(koh):mol(g-c3n4)＝1.8％-2.2％，以480-520r/min的速率球磨3-3.2h；

3)将经过球磨的样品置于敞开盖子的坩埚中，在马弗炉中以4-6℃/min的速率升温至490-510℃，在这个温度下煅烧1.9-2.1h；

4)称取约0.19-0.21g步骤3)得到的样品分散于190-210ml去离子水中，超声剥离8-9h后离心，用去离子水和乙醇各清洗3-4次，60-80℃干燥得到钾离子掺杂的g-c3n4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过掺杂金属离子改善g-c3n4纳米片光催化活性，使金属离子成为电子或空穴的复合位点，促进光生电子-空穴对的分离，拓宽光谱响应范围进而增强光催化活性。因此，本发明通过球磨法结合空气氧化蚀刻法合成k/g-c3n4光催化剂。该方法操作简单，易于控制，可见光降解有机污染物异丁基钠黄药降解率达到96.08％。

附图说明

图1为实施例1k/g-c3n4的c、n、o、k综合eds图。

图2为实施例1k/g-c3n4的c在图一相同位置元素分布eds图

图3为实施例1k/g-c3n4的n在图一相同位置元素分布eds图

图4为实施例1k/g-c3n4的o在图一相同位置元素分布eds图

图5为实施例1k/g-c3n4的k在图一相同位置元素分布eds图

图6为实施例1所合成k/g-c3n4xrd图。

图7为实施例1的k/g-c3n4和体相g-c3n4光催化剂对异丁基钠黄药的降解图。

图8为实施例1的k/g-c3n4异丁基钠黄药降解循环实验结果。

图9为异丁基钠黄药降解ph值实验。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明：

钾离子掺杂石墨相氮化碳纳米片光催化剂，所述的钾离子掺杂石墨相氮化碳为片层状结构。

钾离子掺杂石墨相氮化碳纳米片光催化剂的制备方法，采用球磨法结合空气氧化蚀刻法，具体包括如下步骤：

本实验所用试剂均为分析纯级别，无需进一步提纯；

1)称量4-6g三聚氰胺于带有盖子的坩埚中，放置在马弗炉中，以1.5-2.5℃/min的速率升温至540-560℃，在这个温度下煅烧3.8-4.2h，将所得样品在研钵中研磨成粉末(体相g-c3n4)；

2)称取0.9-1.2g步骤1)中得到的粉末和氢氧化钾于球磨机中，摩尔比mol(koh):mol(g-c3n4)＝1.8％-2.2％，以480-520r/min的速率球磨3-3.2h；

3)将经过球磨的样品置于敞开盖子的坩埚中，在马弗炉中以4-6℃/min的速率升温至490-510℃，在这个温度下煅烧1.9-2.1h；

4)称取约0.19-0.21g步骤3)得到的样品分散于190-210ml去离子水中，超声剥离8-9h后离心，用去离子水和乙醇各清洗3-4次，60-80℃干燥得到钾离子掺杂的g-c3n4。

实施例1

一种钾离子掺杂g-c3n4纳米片光催化剂的制备方法，具体操作步骤如下：

本实施例所用试剂均为分析纯级别，无需进一步提纯；

1)称量5g三聚氰胺于带有盖子的坩埚中，放置在马弗炉中，以2℃/min的速率升温至550℃，在这个温度下煅烧4h，将所得样品在研钵中研磨成粉末；

2)称取1g上述粉末和氢氧化钾于球磨机中，摩尔比mol(koh):mol(g-c3n4)＝2％，以500r/min的速率球磨3h；

3)将经过球磨的样品置于敞开盖子的坩埚中，在马弗炉中以5℃/min的速率升温至500℃，在这个温度下煅烧2h；

4)称取约0.2g步骤3)得到的样品分散于200ml去离子水中，超声剥离8h后离心，用去离子水和乙醇各清洗3次，60℃干燥得到钾离子掺杂的g-c3n4。

见图1，k/g-c3n4的c、n、o、k综合eds图中可以发现合成的k/g-c3n4光催化剂仍然为片层结构。如图2-图5所示，eds图显示没有出现其他杂质元素，说明合成出的k/g-c3n4纯度很高。

图6显示了氮化碳特征峰，氮化碳特征峰与卡片(jcpds87-1526)吻合，g-c3n4光催化剂峰形尖锐，说明结晶性良好。k/g-c3n4的(002)晶面的特征峰的位置较纯相g-c3n4相比发生了左移，说明钾离子掺杂后的样品晶面间距增大；特征峰强度降低说明k的掺入改变了电子云分布，影响片层堆垛情况，氮化碳状态和晶体性质都发生了变化，实现了g-c3n4的晶格掺杂，与sem和eds图表征结果一致。

取实施例1中获得的k/g-c3n4作为降解有机污染物的应用，在可见光照射下k/g-c3n4光催化剂对异丁基钠黄药的降解效果来评价k/g-c3n4光催化性能。具体操步骤如下：

取k/g-c3n4光催化剂45-55mg，将其放入浓度为45-55mg/l的异丁基钠黄药溶液。在阴暗处搅拌1h以上达到吸附平衡，然后将其放在可见灯下照射。在同等条件下设置一组不加催化剂的对比样，考察光照条件异丁基钠黄药的自降解程度。

见图7，经过相同的降解时间，光照后k/g-c3n4光催化剂的降解效果明显。在可见光照射6h后，对异丁基钠黄药的降解率为96.08％。然而对照组异丁基钠黄药的降解率仅为19.96％。

取上述实施例1获得k/g-c3n4进行异丁基钠黄药降解循环实验。结束后将k/g-c3n4光催化剂离心、洗涤、干燥，再进行相同条件的光催化降解实验，每次循环时间均为5.9-6.1h。重复光催化实验过程5次，第五次异丁基钠黄药降解率仍为86.47％。

如图8所示，经过多次循环，测得的降解率略有降低，说明k/g-c3n4光催化剂具有很好的稳定性。

在异丁基钠黄药废水的初始浓度为50mg/l的条件下，研究了溶液不同ph值对降解效率的影响。异丁基钠黄药废水的ph值调节为7，8，9，10。结果表明，废水的ph值越高，降解效果越差，说明不管是黄药的自降解还是光催化氧化降解，都不易在碱性条件下进行(如图9所示)。

以上通过具体实施方式和范例性实施例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不对本发明的保护范围构成任何限制。在不偏离本发明精神和保护范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明及其实施方式进行多种改进、等价替换或修饰，但这些均应落入本发明的保护范围内。