一种可见光响应g‑C3N4/Bi2S3异质结材料的制备方法和用途与流程

本发明属于材料合成技术领域，具体涉及了一种可见光响应g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料的制备方法和用途。

背景技术：

随着经济的增长，日益恶化的环境问题变的尤为突出。从能源及环境修复角度而言，以半导体及其衍生材料为媒介的光催化技术可以利用清洁、可持续的太阳能处理环境中的废水废气等有毒物质，因而受到社会上愈来愈多的关注。近年来，在科研工作者们不懈的努力之下，光催化技术已被广泛应用于环境中的废水处理。但是，设计和开发高性能的可见光响应的光催化材料依旧具有极其重要的意义,并且成为光催化剂发展的主要方向。

硫化铋可直接利用可见光，并且在可见光照射下可以有效降解有机污染物，体现出优异的光催化活性，因而在光催化氧化环境污染物等方面具有广阔的前景。但是由于其光腐蚀性、易团聚及高电子负荷率，使其应用受到了很大限制。然而，氮化碳作为非金属光催化剂由于其化学稳定性、电子结构、易制备和可见光响应等性能受到了很多研究者的关注。通过硫化铋复合其他催化剂形成异质结结构可以有效地弥补硫化铋本身存在的缺点，是进一步提升其光催化性能活性的有效途径。因此，本发明提供了一种可见光响应g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料的制备方法，目的是通过氮化碳的复合形成的异质结结构促进光生电子和空穴的快速分离,从而抑制光生载流子的复合,提升其光催化性能。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种可见光响g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料的制备方法和用途，该方法通过简单的溶剂热法制得Bi₂S₃纳米颗粒负载石墨型层片状g-C₃N₄异质结光催化剂。本发明制备的异质结光催化剂可应用于可见光下催化降解罗丹明。

一种可见光响g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料的制备方法，具体包括以下步骤：

一种可见光响g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料的制备方法和用途，其特征在于，按照下述步骤进行：

（1）在室温下，按比例将研磨好的氮化碳加入到去离子水中，超声分散，得到分散液A；

（2）将六水合硝酸铋加入到去离子水中，充分搅拌混合均匀，得到分散液B；

（3）将步骤（2）中的分散液B逐滴缓慢加入到步骤（1）的分散液A中，磁力搅拌下反应10min后，停止搅拌，得到混合溶液C；再向混合溶液C中缓慢加入L-半胱氨酸，超声分散2~5min，置于装入不锈钢高压釜中，恒温热反应，反应结束后自然冷却至室温；

（4）将步骤（3）得到的沉淀物离心分离，然后分别用无水乙醇和蒸馏水洗涤，真空干燥，得到所述的g-C₃N₄/Bi₂S₃复合材料。

步骤（1）中，所述超声时间为0.5~1h；所述氮化碳与去离子水用量比为0.05~0.2g：10~20mL。

步骤（2）中，所述六水合硝酸铋与步骤（1）中氮化碳质量比为0.2~0.6g：0.05~0.2g。

步骤（3）中，所述L-半胱氨酸与步骤（1）中氮化碳及步骤（2）中六水合硝酸铋质量比为0.1~0.3g：0.2~0.6g：0.05~0.2g；所述恒温热反应的温度为120~140℃，恒温时间为12~24h。

步骤（4）中，所述无水乙醇和蒸馏水洗涤次数分别为3次；真空干燥温度条件为50~60℃，时间为5~10h。

本发明制得的一种可见光响g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料用于在可见光下催化降解罗丹明B。

本发明的有益效果为：

（1）本发明首次制备可见光响g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料,其制备工艺简单,成本低,易于大规模工业化生产,该异质结材料具有良好的环境稳定性，在解决环境污染和能源危机方面有良好的应用前景。

（2）光催化剂体系在光催化降解过程中的悬浮特性有效的提高了对光源的利用率。

（3）g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料可作为性能优良的可见光光催化剂。g-C₃N₄与Bi₂S₃复合后形成的异质结结构不但有利于提高了光生电子和空穴的寿命,促进光生电荷的传输,而且有效地提升了复合后催化剂的稳定性。因此，g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料显著地提升了催化剂对有机染料的降解效果，在光催化实际应用领域具有广阔的前景。

附图说明

图1为实施例1所制备的样品的XRD图谱；

图2为实施例1所制备的样品的透射电镜图，A为g-C₃N₄，B为Bi₂S₃，C为NiS₂/g-C₃N₄，D为NiS₂/g-C₃N₄高分辨图谱；

图3为实施例1所制备的在可见光照射下对浓度为5mg/L的罗丹明B光催化降解效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

制备g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料：

将0.16g氮化碳加入到15mL去离子水中，搅拌后超声分散1h，再加入0.242g六水合硝酸铋，进行搅拌均匀，再加入0.18g L-半胱氨酸，超声分散5min，将反应物混合均匀后将反应液转入50mL不锈钢高压釜中，140℃恒温热，反应24h后自然冷却至室温，分别用去离子水、无水乙醇各洗涤3次，真空60℃条件下干燥10h，即得到所述的g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料。该材料在可见光照射下，100min可降解93%的罗丹明B。

制备单体Bi₂S₃：

将0.242g六水合硝酸铋加入到20mL去离子水中，进行搅拌均匀，再加入0.18g L-半胱氨酸，超声分散5min，将反应物混合均匀后将反应液转入50mL不锈钢高压釜中，140℃恒温热，反应24h后自然冷却至室温，分别用去离子水、无水乙醇各洗涤3次，真空60℃条件下干燥10h，即可制备得单纯的Bi₂S₃。

图1中结果表征合成的材料中除了含有Bi₂S₃，还含有g-C₃N₄；

图2中TEM结果表明单纯的g-C₃N₄以薄片状形式存在，Bi₂S₃单体以花状的形式存在，复合材料的TEM图可以看出Bi₂S₃纳米颗粒均匀地负载在g-C₃N₄纳米片上，g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料的高分辨图可以清晰看出Bi₂S₃与g-C₃N₄的晶面间距；

图3是Bi₂S₃和g-C₃N₄单体及g-C₃N₄/Bi₂S₃降解罗丹明B的活性实验图。从图中可清晰地观察到，g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料的降解速率明显高于单纯的Bi₂S₃和g-C₃N₄。

实施例2：

将0.24g氮化碳加入到20mL去离子水中,搅拌后超声分散1h，再加入0.48g六水合硝酸铋，进行搅拌均匀，再加入0.25g L-半胱氨酸，超声分散5min，将反应物混合均匀后将反应液转入50mL不锈钢高压釜中，130℃恒温热，反应12h后自然冷却至室温，分别用去离子水、无水乙醇各洗涤3次，真空60℃条件下干燥6h，即得到所述的g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料。该材料在可见光照射下,100min可降解80%的罗丹明B。

实施例3：

将0.10g氮化碳加入到20mL去离子水中,搅拌后超声分散0.5h，再加入0.20g六水合硝酸铋，进行搅拌均匀，再加入0.14g L-半胱氨酸，超声分散3min，将反应物混合均匀后将反应液转入50mL不锈钢高压釜中，120℃恒温热，反应24h后自然冷却至室温，分别用去离子水、无水乙醇各洗涤3次，真空60℃条件下干燥6h，即得到所述的g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料。该材料在可见光照射下,100min可降解86%的罗丹明B。

实施例4：

将0.05g氮化碳加入到15mL去离子水中,搅拌后超声分散1h，再加入0.15g六水合硝酸铋，进行搅拌均匀，再加入0.1g L-半胱氨酸，超声分散5min，将反应物混合均匀后将反应液转入50mL不锈钢高压釜中，140℃恒温热，反应18h后自然冷却至室温，分别用去离子水、无水乙醇各洗涤3次，真空60℃条件下干燥8h，即得到所述的g-C₃N₄/Bi₂S₃异质结材料。该材料在可见光照射下，100min可降解82%的罗丹明B。