一种g-C3N4光催化剂涂层及其制备方法和应用与流程

本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种高光催化效率的g-c3n4涂层及其制备方法。

背景技术：

光催化材料具有净化气体和水体的功能，具有一定的应用价值。在实际应用过程中，光催化材料如何应用是重要的研究内容，关系到光催化材料功能的正常发挥。光催化材料涂层在光催化材料的实际应用上具有节约催化剂用量、利于气固/液固分离和提高光利用面积的优点，因而在实际应用中被广泛采用。但是光催化涂层的制备过程存在诸多制约光催化性能的因素，最显著的问题是光催化剂在涂层中被粘合剂的包裹问题。实现光催化材料在光催化涂层表面暴露是光催化材料能够正常工作的关键因素。截至目前，采用有机、无机粘合剂的专利和文献对光催化涂层中催化剂的包裹问题都鲜有关注。通过实验测试发现，将催化剂和粘合剂混合后进行涂刷制备的光催化涂层光催化性能显著降低甚至没有表现出活性。造成这一问题的原因就是光催化剂材料的包裹问题，解决光催化材料的包裹问题能够提高涂层光催化性能，减少光催化材料的用量，降低涂层成本，因而具有十分重要的意义。石墨相碳化氮(g-c3n4)具有在可见光条件下光催化分解水的性能后，石墨相碳化氮(g-c3n4)材料开始被科研学者广泛关注。石墨相碳化氮(g-c3n4)的组成成分为地球蕴藏丰富的碳和氮两种元素构成。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高光催化效率的g-c3n4涂层及其制备方法，解决光催化剂材料在光催化涂层中的包裹问题，能够提高涂层光催化性能，减少光催化材料的用量，降低涂层成本。

本发明采用的技术方案为：一种g-c3n4光催化剂涂层，是以g-c3n4光催化材料为前驱体，磷酸二氢铝为无机粘合剂、氧化镁为固化剂，以涂刷或喷涂的方式涂覆于基底上，烘干后，经酸化处理和高温焙烧获得的g-c3n4光催化剂涂层。

优选的，所述g-c3n4光催化材料为比表面积为0.5～300m²/g的纳米颗粒、纳米片及多孔结构。更优选的，所述g-c3n4光催化材料为通过乙醛处理三聚氰胺前驱体得到的比表面积为0.5～300m²/g的纳米颗粒、纳米片及多孔结构。

一种g-c3n4光催化剂涂层的制备方法，包括如下步骤：

1)取g-c3n4光催化材料和适量的氧化镁粉末于研钵内均匀研磨，然后逐滴加入磷酸二氢铝溶液，将研钵内的混合物均匀搅拌，然后以涂刷或喷涂的方式涂覆于基底上，将所得薄膜烘干；

2)将烘干后的薄膜经酸化处理和高温焙烧获得g-c3n4光催化剂涂层。

优选的，上述的一种g-c3n4光催化剂涂层的制备方法，按质量比，g-c3n4光催化材料:磷酸二氢铝＝1:0.1～1:5。

优选的，上述的一种g-c3n4光催化剂涂层的制备方法，按质量比，g-c3n4光催化材料:氧化镁＝1:0.5～1:2。

优选的，上述的一种g-c3n4光催化剂涂层的制备方法，所述的基底为玻璃、陶瓷或金属材料。

优选的，上述的一种g-c3n4光催化剂涂层的制备方法，步骤2)中，所述酸化处理是，将烘干后的薄膜置于浓度为0.001～10m的硫酸、盐酸、硝酸或氢氟酸中，酸化腐蚀1秒～1h。优选的，酸化腐蚀10～40秒。

优选的，上述的一种g-c3n4光催化剂涂层的制备方法，步骤2)中，所述高温焙烧是，空气或惰性气体下，于100～600℃下焙烧10～1000min。

本发明制备的g-c3n4光催化剂涂层在光催化降解气态污染物中的应用。方法如下：将上述的g-c3n4光催化剂涂层置于含有气态污染物的容器内，光照1-3小时。

本发明具有以下有益效果：通过本发明的制备方法，解决了光催化涂层在制备过程中，光催化剂被包裹的问题。通过后期酸化处理腐蚀掉表面粘合剂并使光催化剂暴露出来，通过精确调节酸度和腐蚀时间，实现最佳涂层质量和催化性能。本发明磷酸二氢铝涂层表现出分布均匀并且致密，固化效果良好，显示出良好的光催化性能。本发明方法简单、容易操作，除了g-c3n4涂层体系外，还可广泛的应用于其他的半导体光电极体系。

附图说明

图1为使用不同剂量氧化镁固化剂后获得涂层的光催化性能比较。

图2为不同酸化时间对涂层的光催化性能影响比较。

具体实施方式

一种g-c3n4光催化剂涂层的制备方法，包括如下步骤：

1)取g-c3n4光催化材料和适量的氧化镁粉末于研钵内均匀研磨，然后逐滴加入磷酸二氢铝溶液，将研钵内的混合物均匀搅拌，然后以涂刷或喷涂的方式涂覆于基底上，将所得薄膜烘干；

优选的，所述g-c3n4光催化材料为通过乙醛处理三聚氰胺前驱体得到的比表面积为0.5～300m²/g的纳米颗粒、纳米片及多孔结构。

按质量比，g-c3n4光催化材料:磷酸二氢铝＝1:0.1～1:5。

按质量比，g-c3n4光催化材料:氧化镁＝1:0.5～1:2。

所述的基底为玻璃、陶瓷或金属材料。

2)将烘干后的薄膜经酸化处理和高温焙烧获得g-c3n4光催化剂涂层。

所述酸化处理是，将烘干后的薄膜置于浓度为0.001～10m的硫酸、盐酸、硝酸或氢氟酸中，酸化腐蚀1秒～1小时，优选的，酸化腐蚀10～40s。

所述高温焙烧是，空气或惰性气体下，于100～600℃下焙烧10～1000min。

实施例1

(一)不同剂量氧化镁固化剂获得的g-c3n4光催化剂涂层对光催化性能的影响

1、g-c3n4光催化剂涂层的制备

分别将0.1克比表面积为162m²/g的g-c3n4光催化剂和不同剂量氧化镁粉末(0.05g、0.1g、0.2g)倒入到研钵内均匀研磨，用移液管量取2ml磷酸二氢铝溶液逐滴加入上述g-c3n4光催化剂和氧化镁中，将研钵内的混合物均匀搅拌，然后用小刷子均匀涂抹在玻璃基底上，获得薄膜，将负载有薄膜的玻璃基底放置100℃烘箱内烘干。将烘干后的薄膜放入盛有浓度为0.1m的稀硫酸的烧杯内，浸泡10秒后，取出放入烘箱中，100℃下烘干。将烘干后的薄膜于200℃下焙烧60min，分别得到不同剂量氧化镁固化剂的g-c3n4光催化剂涂层。

2、光催化性能

以异丙醇(ipa)气体作为模拟污染物，方法如下：分别取不同剂量氧化镁固化剂的g-c3n4光催化剂涂层置于气密性玻璃测试装置的底部中心，将测试装置密封。利用进样针量取5ul异丙醇注入测试装置，将测试装置静置黑暗处3h以上，使测试装置内的异丙醇气体充分挥发至g-c3n4光催化剂涂层表面，使两者到达吸附-脱附平衡。在氙灯光源(带有紫外光滤片)下光照反应，每隔20min使用取样针取1ml气体样品，注入气相色谱仪确定丙酮生成浓度。并根据生成丙酮的浓度确定光催化活性，结果如图1所示。由图1可见，随着光照时间的增加，密闭反应器中的由异丙醇降解生成的丙酮浓度逐渐增加，这说明光催化涂层具有光催化活性。

(二)不同酸化时间获得的g-c3n4光催化剂涂层对光催化性能的影响

1、g-c3n4光催化剂涂层的制备

将0.1克比表面积为226m²/g的g-c3n4光催化剂和0.05g氧化镁粉末倒入到研钵内均匀研磨，用移液管量取2ml磷酸二氢铝溶液逐滴加入上述g-c3n4光催化剂和氧化镁中，将研钵内的混合物均匀搅拌，然后用小刷子均匀涂抹在玻璃基底上，获得薄膜，将负载有薄膜的玻璃基底放置100℃烘箱内烘干。将烘干后的薄膜放入盛有浓度为1m的稀硫酸的烧杯内，分别浸泡10s、20s、40s后，取出放入烘箱中，100℃下烘干。将烘干后的薄膜于200℃下焙烧60min，分别得到不同酸化时间的g-c3n4光催化剂涂层。

2、光催化性能

以异丙醇(ipa)气体作为模拟污染物，方法如下：分别取不同酸化时间的g-c3n4光催化剂涂层置于气密性玻璃测试装置的底部中心，将测试装置密封。利用进样针量取5ul异丙醇注入测试装置，将测试装置静置黑暗处3h以上，使测试装置内的异丙醇气体充分挥发至g-c3n4光催化剂涂层表面，使两者到达吸附-脱附平衡。在氙灯光源(带有紫外光滤片)下光照反应，每隔20min使用取样针取1ml气体样品，注入气相色谱仪确定丙酮生成浓度。并根据生成丙酮的浓度确定光催化活性，结果如图2所示。由图2可见，涂层的酸化处理时间对光催化涂层有显著影响，当酸化时间较长时，涂层中部分被溶解，光催化剂脱落从而造成涂层光催化活性下降。