一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂、制备方法及应用

本发明涉及光催化剂制备，更具体地说，涉及一种fe掺杂的g-c3n4/bivo4光催化剂、制备方法及在全氟化物污水处理中的应用。

背景技术：

1、全氟化物属于一类人工合成的含氟有机化合物，自20世纪50年代以来，全氟化合物被广泛用作金属表面保护剂，用于航空、交通、电子和厨房用具。由于高能氟碳键的稳定性，它们具有很高的稳定性，在环境中很难降解。因此，全氟化合物持续存在于环境中，并在生物体中富集。全氟化合物经常在许多环境基质和生物样本中被监测到，包括地表水和地下水、土壤、沉积物以及野生动物和人体中。作为一种新型的持久性污染物，其对于人体的危害越来越令人担忧。因此，亟需找到一种合理高效的处理全氟化物废水的方法。

2、目前全氟化物污水处理的主要方法有：生物法、膜技术、吸附和光降解等。生物法中常规的活性污泥处理工艺或膜生物反应器处理pfas的效果不佳，出水中pfoa/pfos的质量流量保持不变甚至增加。在活性污泥处理过程中，进水中的过氧化物化合物也可能经历生物降解，从而导致二级出水中会有额外的pfoa/pfos污染物。因此，去除pfas需要三级处理，如吸附、高级氧化/还原、离子交换、膜过滤或声波分解。膜技术处理污染程度相对要求较高，需要进行预处理以防止膜的污染，从而增加了系统的操作成本和复杂性。以上处理技术有高能耗或产生污染严重的废物等缺点。而光催化技术可以利用太阳光产生高活性的自由基，以达到降解pfoa的目的。与膜分离法相比，光催化技术可以将有害的pfoa无害化，且去除率波动不会很大，运行成本较低。

3、光催化技术是一种新兴的污水处理技术，因光催化技术对环境的污染很小，而受到越来越多的学者的关注。光催化技术中最主要的就是催化剂，而目前研究中的光催化剂主要问题就是光生电子空穴分离效率低，光生载流子易复合，以及对太阳光的利用率低等问题。为了解决这些问题，需要对催化剂进行改性，以提高光催化剂的整体催化性能。

4、经检索，专利申请号202110281797.7，申请公布日2021年6月25日，专利名称为：一种b掺杂的g-c3n4/bivo4光催化剂及其制备与应用，该申请案所述催化剂以b掺杂的g-c3n4、钒酸盐以及铋盐为基础材料，经高温煅烧而成；其中，所述煅烧温度不低于400℃；且，当通过拉曼散射效应对散射光谱进行分析时，所述光催化剂在820.0±1.0cm-1处具有峰，并且在298.2±0.5cm-1处具有峰。基于制备的b掺杂异质结g-c3n4/bivo4催化剂辅助优化含卤代酚废水处理过程中菌群结构，且在光催化降解的作用下，生物膜利用光催化降解后生成的中间产物作为能量，加速生物膜成熟，系统可以实现快速启动。该申请案中对单一催化剂g-c3n4进行改性采用的是非金属元素掺杂的方法，这种非金属元素掺杂的方法通过直接改变半导体的能带位置，从而改变催化剂的禁带宽度以吸收更大波长的可见光；半导体对光的吸收范围有限，抑制光生载流子复合的效果也相对较差。

技术实现思路

1、1.发明要解决的技术问题

2、鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种fe掺杂的g-c3n4/bivo4异质结光催化剂、制备方法，以及将所制备的光催化剂应用于全氟化物的吸附-催化降解，本发明对催化剂进行改性，将铁掺杂到氮化碳中，再将制作好的铁掺杂氮化碳与钒酸铋进行复合，采用水热制备方法构建fe掺杂的g-c3n4/bivo4异质结光催化剂，提高了光催化剂的整体催化性能。

3、2.技术方案

4、为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

5、本发明的一种fe掺杂的g-c3n4/bivo4异质结光催化剂的制备方法，其步骤为：

6、步骤一、配制一定摩尔浓度的硝酸铁溶液，在硝酸铁溶液中加入一定质量的尿素，加热搅拌使其充分溶解；将溶液蒸发水分，得到固体，再将固体研磨至粉末，再将研磨后的粉末放到坩埚中，将坩埚置于马弗炉中，进行高温热解，获得fe-g-c3n4；

7、步骤二、配制一定体积的稀硝酸溶液，取一定量的步骤一中得到的fe-g-c3n4和一定量的九水合硝酸铋加入到稀硝酸溶液中，搅拌均匀得到溶液a；

8、步骤三、取一定量的偏钒酸铵，加入去离子水，加热搅拌使其溶解，得到溶液b；

9、步骤四、将溶液b边搅拌边加入到溶液a中，得到溶液c并搅拌，将搅拌后的溶液c倒入反应釜中进行水热反应，得到fe-g-c3n4/bivo4异质结光催化剂；

10、步骤五、用去离子水和无水乙醇对催化剂进行3次离心洗涤后并烘干，最终得到fe-g-c3n4/bivo4异质结光催化剂成品。

11、更进一步地，所述的步骤一中，制备fe-g-c3n4的原料硝酸铁和尿素的质量比为0.2％；热解温度范围为450-550℃，升温速率为10-15℃/min，热解反应时间为2-3h。

12、更进一步地，所述的步骤二中，稀硝酸溶液的浓度为0.4mol/l，加入稀硝酸溶液中的fe-g-c3n4和九水合硝酸铋的质量比为1:10；搅拌时间15-20min。

13、更进一步地，所述的步骤三中，偏钒酸铵的用量，需保证偏钒酸铵和硝酸铋的摩尔比为1:1。

14、更进一步地，所述的步骤四中，溶液c的搅拌时间为30min，水热反应的温度为170℃，反应时间为18h。

15、更进一步地，所述的步骤五中，将水热反应后的fe-g-c3n4/bivo4异质结光催化剂用去离子水和无水乙醇离心洗涤三次后，放入真空干燥箱中，在70℃下烘干，得到fe-g-c3n4/bivo4复合光催化剂。

16、本发明的一种光催化剂，其特征在于：催化剂中fe-g-c3n4的质量分数为15％，硝酸铋与偏钒酸铵的摩尔比为1:1，制备fe-g-c3n4的原料硝酸铁和尿素的质量比为0.2％；fe-g-c3n4的制备方法为高温热解法，光催化剂的制备方法为水热法。

17、本发明的一种光催化剂的应用，其特征在于：将fe-g-c3n4/bivo4异质结光催化剂应用于全氟化物污水处理。

18、更进一步地，其步骤为：

19、s1、称取干燥至恒重的一定量fe-g-c3n4/bivo4异质结光催化剂；

20、s2、将fe-g-c3n4/bivo4异质结光催化剂加入到盛有全氟化物废水的石英管中，石英管中加入转子，温度为10±0.5℃，ph为2-8，将石英管放在光反应仪中，转子转速为100-150r/min，无光吸附12h；

21、s3、达到吸附平衡后，采用500w氙灯模拟可见光照射，进行光降解。

22、3.有益效果

23、采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

24、(1)鉴于现有的全氟化物处理方法如生物法、吸附法、膜技术等，处理成本高，技术复杂且对环境产生的危害较大，本发明提供了一种fe掺杂的g-c3n4/bivo4异质结光催化剂，其能够对全氟化物进行吸附和化学降解处理，能够较好地去除废水中的全氟化物污染物。铋基半导体bivo4是一种无毒的金属光催化剂，属于n型半导体，它具有良好的离子导电性、可见光吸收能力、化学稳定性、光腐蚀性能小，具有优异的化学和光子性能等优点，fe掺杂的氮化碳有光电灵敏度高、吸收系数高、光响应快等特点，将fe-g-c3n4与bivo4进行复合，构建异质结构，可以提高光催化剂的光生电子空穴分离效率，提高整体的光催化效率。且制备方法简单，易于操作，生产成本相对较低。此方法制备的fe-g-c3n4/bivo4异质结光催化剂可实现对全氟化物的有效去除。

25、(2)相对于采用非金属元素掺杂的方法对单一催化剂g-c3n4进行改性，本发明是采用金属离子掺杂的方法对g-c3n4进行改性，其目的是通过在半导体的禁带内产生一个掺杂能级，从而拓展半导体对光的吸收范围，同时也可以作为光生电子或者空穴捕获位点，捕获光生电子或者空穴，从而抑制光生载流子的复合。且本发明采用水热法将fe-g-c3n4和bivo4进行复合，水热法所制备的催化剂粒径较小，所以其比表面积较大，对水溶液中的污染物吸附效果越好，从而光催化效果也越好。