一种多孔富碳g-C3N4光催化剂的制备方法和应用与流程

本发明属于光催化材料技术领域，具体涉及一种通过改性前驱体制备多孔富碳g-c3n4光催化剂的方法及应用。

背景技术：

随着能源与环境问题愈发制约现代社会的发展，光催化技术受到日益广泛的关注。光催化材料能够利用太阳光水解制氢，还可以分解有害物质，解决人类发展所面临的能量与环境问题。目前，光催化剂受光照射后产生的电子-空穴对复合率大，光子利用效率低，光催化活性不高。因此对半导体光催化剂进行改性研究是有必要的，改性的目的和作用包括提高激发电荷分离，抑制载流子复合以提高量子效率。

一种有机的石墨相氮化碳(g-c3n4)，仅由c和n元素组成，展示了非金属光催化剂消除污染物的巨大潜力。g-c3n4是一种稳定的尖晶石材料，具有合适的带隙和独特的性能以及稳定的光化学特性，在颜料、防火材料、光化学分解水制氢和锂离子电池的阳极材料等领域都有着广泛的应用，而且还是可见光降解有机污染物的高效光催化剂。纯的g-c3n4光催化剂由于表面积较低和快速的光生电子空穴复合，使其光催化效率很低，因而应用上受到限制。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种制备方法简单、操作方便、成本低、条件温和、催化效率高的多孔富碳g-c3n4光催化剂的制备方法。

本发明另一目的是提供一种多孔富碳g-c3n4光催化剂的应用。

本发明采用的技术方案是：

一种多孔富碳g-c3n4光催化剂，制备方法包括以下步骤：

1)将三聚氰胺与活性炭粉加入50ml无水乙醇，搅拌2h混合均匀，超声30min，烘干，得中间产物；

2)将中间产物，研磨，于马弗炉中，空气环境下，焙烧，得带有无定形纳米碳颗粒的g-c3n4粉末；

3)将带有无定形纳米碳颗粒的g-c3n4粉末，再次研磨后，于马弗炉中，空气环境下，退火，得多孔富碳g-c3n4光催化剂。

所述一种多孔富碳g-c3n4光催化剂，步骤1)中三聚氰胺与活性炭粉的质量比为1:0.01-0.08。

所述一种多孔富碳g-c3n4光催化剂，步骤2)中于马弗炉中焙烧温度为500℃-550℃，时间4h。

所述一种多孔富碳g-c3n4光催化剂，步骤2)中焙烧时升温速率5℃每分钟。

所述一种多孔富碳g-c3n4光催化剂，步骤3)中于马弗炉中退火温度为460℃-480℃，时间2h。

所述一种多孔富碳g-c3n4光催化剂，步骤3)中退火时升温速率5℃每分钟。

一种所述的多孔富碳g-c3n4光催化剂在可见光下降解罗丹明b中的应用。

所述的应用，具体为，将多孔富碳富碳g-c3n4加入到罗丹明b溶液中，避光搅拌，使其充分接触；以300w氙灯为光源，光电流调节到20ma位置，调节光强中心正照射到样品表面，固定好位置，将混合多孔富碳g-c3n4的罗丹明b溶液放于光源下方，通过对样品的吸光度测试，证明罗丹明b的降解。

本发明具有以下有益效果

g-c3n4是一种非金属n型半导体，由于其具有良好的化学稳定性、热学稳定性以及光电特性而受到人们的广泛关注，其禁带宽度为2.7ev，可以吸收波长小于600nm的可见光，但是其量子效率仍然很低，它的弱可见光吸收响应，高的电荷复合，小的比表面积，光生电子-空穴易复合，从而导致较小的光催化活性。为了提高g-c3n4的光催化活性，本发明用活性炭粉对三聚氰胺前驱体进行改性制备了多孔富碳g-c3n4，获得的多孔富碳g-c3n4拥有大的表面积和高的孔隙率。并显著提高了g-c3n4中碳元素的含量。多孔结构能够有效提高能量转换的效率，增加半导体比表面积，从而提供更多的表面活性位，提高光催化活性。此外，由于碳元素含量的增加，使c原子大量取代晶格中n原子所在的位置，使半导体产生更多缺陷。由于这些缺陷，降低了光生电子空穴的传输距离，提高光生电子和空穴的分离效率，降低复合率，极大地改善了在可见光下的光催化活性。通过本发明的方法制备的催化剂稳定性好，化学性质稳定，可以重复使用。因此，相同时间可见光下降解罗丹明b的降解率相比于纯的g-c3n4从17％提高到83％。

附图说明

图1为实施例1制备的纯的g-c3n4光催化剂的xrd图。

图2为实施例1制备的纯的g-c3n4光催化剂的sem图。

图3为实施例1制备的纯的g-c3n4光催化剂的xps图。

图4为实施例2制备的多孔富碳g-c3n4光催化剂的xrd图。

图5为实施例2制备的多孔富碳g-c3n4光催化剂的sem图。

图6为实施例2制备的多孔富碳g-c3n4光催化剂的xps图。

图7为纯g-c3n4催化剂和多孔富碳g-c3n4催化剂的孔径分布和氮气吸附脱附图。

图8为纯g-c3n4催化剂和多孔富碳g-c3n4催化剂在光催化降解罗丹明b效率图。

具体实施方式

实施例1纯的g-c3n4光催化剂

(一)制备方法

量取2.52克三聚氰胺加入氧化铝坩埚，转移到马弗炉中，在空气气氛下，于550℃，焙烧4h(升温速率为5℃.min-1)，得到纯的g-c3n4光催化剂。

(二)检测

图1为纯的g-c3n4光催化剂样品的xrd检测。由图1可见，在13.1度和27.4度出现两个衍射峰，分别对应于g-c3n4的(002)和(100)晶面，从图中可以看出样品具有较好的结晶度。

图2为纯的g-c3n4光催化剂样品的sem检测。由图2可见，纯的g-c3n4显示典型的块状结构，同时样品在扫描电镜图像中没有显示出孔隙的存在。

图3为纯的g-c3n4光催化剂样品的xps检测。由图3可见，纯的g-c3n4光催化剂样品c1s图，有明显的c-c键峰和c-n键峰。

图7为纯的g-c3n4光催化剂样品进行氮气吸附脱附和孔径分布测试。由图7可见，制备的纯g-c3n4的比表面较小仅为14.95m2g-1，同时样品的孔隙容积也较小。

实施例2多孔富碳g-c3n4光催化剂

(一)制备方法

1)将2.52克的三聚氰胺固体与0.1512g活性炭粉加入50ml无水乙醇中，搅拌2h至混合均匀，超声30min后转移到烘箱中烘干14小时，得到灰色中间产物。

2)将得到灰色中间产物，研磨，放入氧化铝坩埚内，转移到马弗炉中，空气氛围，在550℃，焙烧4h(升温速率5℃每分钟)，得到带有无定形纳米碳颗粒的g-c3n4粉末。

3)将带有无定形纳米碳颗粒的g-c3n4粉末，再次研磨后，于马弗炉中，在470℃，退火2h(升温速率5℃每分钟)，得多孔富碳g-c3n4光催化剂。

(二)检测

图4为多孔富碳g-c3n4样品的xrd测试。由图4可见，样品具有较好的结晶度，如图所示xrd图像在13.1度和27.4度出现两个衍射峰，分别对应于g-c3n4的(002)和(100)晶面。纯的g-c3n4和多孔g-c3n4的xrd特征峰相似，说明用活性炭粉改性三聚氰胺前驱体制备的多孔富碳g-c3n4过程中没有影响g-c3n4的石墨层的形成。

图5为多孔富碳g-c3n4样品的sem测试。由图5可见，样品在扫描电镜图像中呈粗糙的表面且带有蜂窝状的孔结构，样品的孔隙分布均匀。

图6为多孔富碳g-c3n4光催化剂样品的xps检测。由图6可见，多孔富碳g-c3n4光催化剂样品c1s图，有明显的c-c键峰和c-n键峰。且多孔富碳g-c3n4的c-c键峰比例明显高于纯的g-c3n4，可证明碳氮比有明显提高。

图7为多孔富碳g-c3n4样品的氮气吸附脱附和孔径分布测试。由图可见，多孔g-c3n4样品的比表面积为106.049m2g-1，相对于纯的g-c3n4的比表面积8.58倍。证明多孔g-c3n4拥有大的表面积和高孔空隙率。因此导致了多孔g-c3n4光催化剂表现出更好的光催化活性。

实施例3多孔富碳g-c3n4光催化剂(改性前驱体g-c3n4)应用

将实施例2制备的多孔富碳g-c3n4光催化剂进行光催化剂材料性能测试。

方法如下：分别称取纯g-c3n4和多孔富碳富碳g-c3n40.05g加入到50ml质量分数为10mg/l的罗丹明b溶液中，避光搅拌30min，使其充分接触。以300w氙灯为光源，光电流调节到20ma位置，调节光强中心正照射到样品表面，固定好位置，分别将混合纯的g-c3n4罗丹明b溶液和混合多孔富碳g-c3n4的罗丹明b溶液放于光源下方，每隔20分钟取2ml罗丹明b，通过对样品的吸光度测试，来证明罗丹明b的降解情况。

结果如图8所示，光照20分钟后，纯g-c3n4催化剂降解率为17％，而多孔富碳g-c3n4催化剂降解率为83％，体现出多孔富碳g-c3n4更高的催化能力。

综上所述，用活性炭粉改性前驱体的方法得到了多孔富碳g-c3n4，这种方法得到的多孔富碳g-c3n4拥有大的比表面积、高孔隙率和高碳氮比，因此能为催化反应提供了更多的活性位，降低了光生电子空穴的传输距离，提高光生电子和空穴的分离效率，降低复合率，极大地改善了在可见光下的光催化活性。