一种P/S-g-C3N4纳米材料的制备方法及其应用

本发明涉及光催化材料，具体涉及一种p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法及其应用。

背景技术：

1、过度使用药品导致的水污染问题变得日益严重。然而，在实际水环境中，有机染料通常不是单独存在的。由于现代工业的快速发展，废水中有机染料与重金属污染物共存已成为一种普遍现象。在各种重金属污染物中，六价铬(cr(vi))是一种极其危险的金属离子，具有不可生物降解的特性。因此，研发能够在复杂的废水环境中同时去除有机染料和cr(vi)的降解方法具有重要的现实需求。由于这些污染物化学稳定且不可生物降解，与活性污泥法或膜处理等传统方法相比，半导体光催化是同时消除有机染料和cr(vi)的更合适方法。因此，开发高效、环保的光催化剂降解混合污染物具有重要意义。但由于半导体光生载流子复合率高、迁移带隙宽度大、比表面积小等问题，半导体材料的实际催化能力大受限制，致使其没有实现普遍应用。

2、石墨相氮化碳(g-c3n4)是一种新型的非金属共轭聚合物可见光催化剂，具备原料易得、光电和物理性能优异的特点。近年来，研究人员提出向氮化碳中掺杂重金属元素来提高光催化性能的方法。然而，这一方法在实际的污水降解中，存在催化效率不理想、重金属离子易对水体造成二次污染等问题。因此，需要进一步的改进。需要我们掺入对环境友好的元素并探究掺杂前后对光催化剂性能的影响，才能切实使其应用在印染污水处理领域，做到节能减排。

3、鉴于此，本发明旨在发明一种在有机染料和重金属离子共存环境下光催化降解污染物的p/s-g-c3n4纳米材料，通过掺杂元素改变电子之间作用力来降低电子空穴复合效率，利用吸附-光催化协同作用去除罗丹明b和cr(vi)，从而提高光降解印染污水的光催化活性。

技术实现思路

1、针对半导体光催化剂石墨相氮化碳(g-c3n4)光催化效率较低的技术问题，本发明提供一种p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法，经过磷和硫的共同掺杂改性，改变电子之间作用力来降低电子空穴复合效率，禁带宽度减少、比表面积增加，所得材料能够在有机染料和重金属离子共存环境下光催化降解污染物，利用吸附-光催化协同作用去除罗丹明b和cr(vi)，从而提高光降解印染污水的光催化活性，具有高效的光催化性能。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)将三聚氰胺加入到去离子水中，70～100℃搅拌20～40min，然后向其加入磷源c16h35o4p和硫源半胱氨酸，持续磁力搅拌20～60min以进行超分子自组装；

5、(2)冷却至室温后，将步骤(1)所得混合物转移至聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，并在150～200℃下加热8～12小时，然后降温收集悬浊液并进行干燥，得到淡黄色粉末；

6、(3)将所得淡黄色粉末放入带盖的氧化铝坩埚中，然后置于管式炉保护气体条件下加热到400～600℃煅烧1～3小时，自然冷却后得到块状物体；

7、(4)将所得块状物体冷却至室温后研磨，用去离子水和乙醇洗涤催化剂3～6次，然后干燥和研磨，即得到p/s-g-c3n4纳米材料。

8、进一步地，步骤(1)中，三聚氰胺、c16h35o4p和半胱氨酸的质量比为8～12:2～5:1～3。

9、进一步地，步骤(2)中，干燥温度为80～120℃。

10、进一步地，步骤(2)中，不锈钢高压釜衬里为聚四氟乙烯材料。

11、进一步地，步骤(3)中，保护气体为氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上。

12、进一步地，步骤(3)中，加热速率为1～5℃/min。

13、进一步地，步骤(3)中，煅烧温度为500～600℃。

14、进一步地，步骤(4)中，干燥温度为50～70℃。

15、上述制备方法得到的p/s-g-c3n4纳米材料，部分氢键破坏和氮空位同时存在。

16、上述制备方法得到的p/s-g-c3n4纳米材料，在有机染料和重金属离子共存环境下光催化降解污染物，光催化活性优异。

17、在相同条件下不进行掺杂，直接煅烧三聚氰胺来制备原始g-c3n4，作为与p/s-g-c3n4光催化性能的比较例。与未进行掺杂改性的石墨相氮化碳(g-c3n4)相比，本发明所得材料禁带宽度减少、比表面积增大、光催化剂催化效率高且工艺流程简单。

18、本发明的有益效果在于：

19、1.本发明使用c16h35o4p和半胱氨酸对石墨相氮化碳进行掺杂改性，掺杂后可在g-c3n4中引入一些缺陷，这些缺陷能有效减小颗粒粒度、充当捕获陷阱而阻止光生载流子间和自由基中间体的生成和复合，而且表面额外的空位有效提高了光生电子和空穴对的分离能力，禁带宽度变窄，从而提高光催化性能。

20、2.在罗丹明b-cr(vi)混合溶液体系中，罗丹明b的存在促进了cr(vi)在p/s-g-c3n4样品中的表面吸附和cr(vi)的还原速率。同时，由于p/s-g-c3n4的吸附作用，加速光降解过程，促进了罗丹明b的去除。此外，光降解过程通过再生p/s-g-c3n4的吸附位，提高了罗丹明b的去除率。

21、3.本发明以c16h35o4p为磷源，与其掺杂物质相比，该物质可作稀土金属萃取剂。实验结果表明，当采用磷硫共掺时材料的光催化性能较强，作为改善光催化性能的最佳掺杂物质。

22、4.本发明对p/s-g-c3n4进行了热刻蚀工艺，制作出片层结构、贯穿形多孔结构，提高比表面积，可提高与有机废物的结合效率。

技术特征：

1.一种p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，三聚氰胺、c16h35o4p和半胱氨酸的质量比为8～12:2～5:1～3。

3.根据权利要求1所述的p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，干燥温度为80～120℃。

4.根据权利要求1所述的p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，不锈钢高压釜衬里为聚四氟乙烯材料。

5.根据权利要求1所述的p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述保护气体为氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上。

6.根据权利要求1所述的p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，加热速率为1～5℃/min。

7.根据权利要求1所述的p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，煅烧温度为500～600℃。

8.根据权利要求1所述的p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，干燥温度为50～70℃。

9.根据权利要求1所述的p/s-g-c3n4纳米材料的制备方法，其特征在于，所述p/s-g-c3n4纳米材料的部分氢键破坏和氮空位同时存在。

10.权利要求1至9任一项所述的制备方法得到的p/s-g-c3n4纳米材料在有机染料和重金属离子共存环境下光催化降解污染物中的应用。

技术总结
本发明公开一种P/S‑g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;纳米材料的制备方法及其应用。以三聚氰胺为原料，分别以C<subgt;16</subgt;H<subgt;35</subgt;O<subgt;4</subgt;P和半胱氨酸为掺杂所需磷源、硫源，将其依次加入去离子水中，超声分散实现超分子自组装，所得混合物转移至高压釜进行水热反应，收集悬浊液并进行干燥得到粉体，然后将其放入坩埚中利用管式炉进行焙烧得到块状黄色固体，自然冷却后研磨，最后用去离子水和乙醇洗涤催化剂并干燥，即得到最终产品。本发明制备出磷硫共掺型石墨相氮化碳光催化材料相较于石墨相氮化碳光催化性能明显提升，同时很好地解决了在有机染料和重金属离子共存的复杂环境下降解污染物的问题，为复杂污染物的降解提供新思路。

技术研发人员：郭世柏,柳龙婷,王璐
受保护的技术使用者：湖南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16