一种复合吸附-光催化剂及其制备方法

本发明涉及一种复合吸附-光催化剂及其制备方法，属于光催化材料。

背景技术：

1、高盐有机废水主要是指总溶解固体物(tds，total dissolved solid))质量分数达到3.5％以上的有机废水，这类废水所含盐类物质多为碱金属盐类物质和cl-、so42-、mg2+、ca2+等。高盐有机废水种类众多，具有代表性的如医药生产废水、石油开采废水、印染废水、制革废水、食品加工废水和垃圾渗滤液等。光催化技术作为一种高效节能的绿色化工技术，在能源和环境领域都有着重要的应用前景，采用光催化降解处理高盐有机废水技术也受到了广泛关注。类石墨烯氮化碳(g-c3n4)由于其成本低、制备容易、稳定性好、物理化学性能独特等优点，在光催化领域成为研究热点。但其仍存在对可见光吸收率低、光生电子-空穴对复合快速、表面积相对较低等问题。因此提高g-c3n4光催化剂的催化性能是目前光催化水处理技术研究的重点和发展的关键。

2、为了增强g-c3n4光催化剂可见光响应范围和光生电子-空穴对的分离效率、减小带隙(eg＝2.7ev)、提高界面电荷转移效率，可对g-c3n4光催化剂进行表面改性。掺杂非金属元素o、p可以减小g-c3n4光催化剂带隙、增大比表面积；专利申请cn114602528a公开了一种硫化镉/氧化铟/磷氧掺杂氮化碳三元复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料通过磷和氧的掺杂实现了氮化碳的带隙调控，所述三元复合材料形成三维电场空间，有利于光生电子和空穴的高效迁移和分离；所述三元复合材料对常见的环境污染物如罗丹明b、甲基橙具有良好的光降解效果，对cr(vii)具有良好的可见光还原性能。然而，非金属掺杂改性的g-c3n4光催化剂仍存在可见光响应范围窄，光生电子-空穴对的分离效率低、提高界面电荷转移效率低等缺陷，其光催化活性仍有待进一步提高。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种复合吸附-光催化剂，所述复合吸附-光催化剂通过向类石墨烯氮化碳中共掺杂金属元素fe和非金属元素o、p，充分发挥金属元素fe与非金属o、p的协同作用，增强了所述复合吸附-光催化剂的吸附性能，并进一步降低了所述复合吸附-光催化剂的带隙，调整电子结构，增强了光生电子转移效率和可见光响应范围，从而提升所述复合吸附-光催化剂的光催化活性；

2、本发明的目的之二在于一种复合吸附-光催化剂的制备方法。

3、本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

4、一种复合吸附-光催化剂，所述复合吸附-光催化剂以类石墨烯氮化碳(g-c3n4)为基体，铁、氧和磷三种元素共掺杂在所述基体内；其中，铁元素的掺杂量为基体质量的0.8％～7％，氧元素的掺杂量为基体质量的12％～33％，磷元素的掺杂量为基体质量的1.4％～10％；所述复合吸附-光催化剂的禁带宽度为2.1ev～2.6ev。

5、优选的，铁元素的掺杂量为基体质量的0.87％～5.39％，氧元素的掺杂量为基体质量的13.28％～32.66％，磷元素的掺杂量为基体质量的1.42％～8.72％；所述复合吸附-光催化剂的禁带宽度为2.14ev～2.46ev。

6、优选的，所述复合吸附-光催化剂在可见光的照射下，能够吸附-降解高盐有机废水中的抗生素类有机污染物；

7、所述高盐有机废水中，抗生素类有机污染物的质量与盐类质量为1:100；其中，所述盐类为含有cl-、so42-、mg2+或ca2+的可溶性无机盐；

8、所述复合吸附-光催化剂和所述有机污染物的质量比为5:1～50:1。

9、一种本发明所述复合吸附-光催化剂的制备方法，所述方法步骤如下：

10、(1)在搅拌条件下，将聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、六氯环三磷腈(hccp)和九水硝酸铁加入到去离子水中，混合均匀，再加入三聚氰胺，继续搅拌均匀得到混合溶液；

11、其中，pvp、hccp、九水硝酸铁和三聚氰胺的质量比为(0.0001～0.001):(0.1～1.5):(0.4～4.4):(6～7)；

12、优选的，将所述聚乙烯吡咯烷酮配置成质量分数为0.1％～0.15％的分散液加入，所述分散液的溶剂为去离子水；

13、优选的，pvp、hccp、九水硝酸铁和三聚氰胺的质量比为(0.0005～0.001):(0.17～0.75):(1.51～3.03):(6.30～7)；

14、(2)将步骤(1)得到的混合溶液在70℃～100℃恒温搅拌3h～5h，蒸发去离子水，得到潮湿的固体；然后将所述潮湿的固体在70℃～100℃干燥，得到所述复合吸附-光催化剂粗品；

15、优选的，所述干燥方式为真空干燥，干燥时间为6h～12h；

16、(3)将步骤(2)得到的所述复合吸附-光催化剂粗品充分研磨后进行煅烧，煅烧温度为300℃～700℃，升温速度为4～10℃·min-1，煅烧3h～5h，得到所述复合吸附-光催化剂。

17、有益效果

18、(1)本发明提供了一种复合吸附-光催化剂，所述复合吸附-光催化剂性质稳定，其中，p掺杂g-c3n4光催化剂后，2p能级上的价电子引起带隙变窄；o掺杂会增大g-c3n4的比表面积，形成多孔结构，增强可见光吸附作用；fe的掺杂会导致导带或价带之间发生电荷转移，可使波长较长、能量较小的光子发生激发，导致g-c3n4光催化剂的吸收带边沿发生红移，即拓宽了g-c3n4吸收光谱的响应范围，将g-c3n4光催化剂的相应波长拓展到可见光，增强了光生电子分离效率，从而提高了光生电子的利用效率；fe与o、p元素在共掺杂时表现出良好的协同作用，增强了所述复合吸附-光催化剂的吸附性能，并进一步降低了材料的带隙，调整了材料的电子结构，增强了光生电子转移效率，从而提升光催化活性。

19、(2)本发明提供了一种复合吸附-光催化剂，所述复合吸附-光催化剂在可见光的照射下，可实现对高盐有机废水中抗生素类有机污染物的高效处理，反应过程中条件温和，操作简单，处理效率高且耗时短。

20、(3)本发明提供了一种复合吸附-光催化剂的制备方法，所述方法以三聚氰胺为原料、九水硝酸铁为掺杂金属来源、聚乙烯吡咯烷酮、六氯环三磷腈为掺杂非金属来源，采用一步热聚合法实现共掺杂，再经煅烧后得到所述复合吸附-光催化剂；所述方法中需严格控制各物质的用量及煅烧条件：fe和p的掺杂比例直接影响所述复合吸附-光催化剂吸附效果以及光催化效果，煅烧时间和温度影响g-c3n4带隙，进而影响所述复合吸附-光催化剂的光催化性能。

技术特征：

1.一种复合吸附-光催化剂，其特征在于：所述复合吸附-光催化剂以类石墨烯氮化碳为基体，铁、氧和磷三种元素共掺杂在所述基体内；其中，铁元素的掺杂量为基体质量的0.8％～7％，氧元素的掺杂量为基体质量的12％～33％，磷元素的掺杂量为基体质量的1.4％～10％；所述复合吸附-光催化剂的禁带宽度为2.1ev～2.6ev。

2.根据权利要求1所述一种复合吸附-光催化剂，其特征在于：铁元素的掺杂量为基体质量的0.87％～5.39％，氧元素的掺杂量为基体质量的13.28％～32.66％，磷元素的掺杂量为基体质量的1.42％～8.72％；所述复合吸附-光催化剂的禁带宽度为2.14ev～2.46ev。

3.根据权利要求1或2所述一种复合吸附-光催化剂，其特征在于：所述复合吸附-光催化剂在可见光的照射下，能够吸附-降解高盐有机废水中的抗生素类有机污染物；

4.一种如权利要求1～3任一项所述复合吸附-光催化剂的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

5.根据权利要求4所述一种复合吸附-光催化剂的制备方法，其特征在于：pvp、hccp、九水硝酸铁和三聚氰胺的质量比为(0.0005～0.001):(0.17～0.75):(1.51～3.03):(6.30～7)。

6.根据权利要求4或5所述一种复合吸附-光催化剂的制备方法，其特征在于：将所述聚乙烯吡咯烷酮配置成质量分数为0.1％～0.15％的分散液加入，所述分散液的溶剂为去离子水；所述干燥方式为真空干燥，干燥时间为6h～12h。

技术总结
本发明涉及一种复合吸附‑光催化剂及其制备方法，属于光催化材料技术领域。所述复合吸附‑光催化剂以类石墨烯氮化碳为基体，铁、氧和磷三种元素共掺杂在所述基体内；其中，铁元素的掺杂量为基体质量的0.8～7％，氧元素的掺杂量为基体质量的12～33％，磷元素的掺杂量为基体质量的1.4～10％；所述复合吸附‑光催化剂的禁带宽度为2.1～2.6eV；所述复合吸附‑光催化剂通过向类石墨烯氮化碳中共掺杂的金属元素Fe和非金属元素O、P的协同作用，增强了吸附性能，并进一步降低了所述复合吸附‑光催化剂的带隙，调整电子结构，增强了光生电子转移效率和可见光响应范围，提升光催化活性。

技术研发人员：徐熙焱,张梦琳,张东翔,徐磊,张晓
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15