一种微波辅助水热制备g-C3N4/CQDs/FeVO4异质结光催化剂的方法及应用

本发明涉及一种光催化剂的制备的方法及应用。

背景技术：

1、随着工业社会的不断发展，环境与能源问题日益严峻。在过去几十年里，很多污染物未经彻底处理就直接排放到自然界中，造成了极大的污染。抗生素的大量生产和使用导致环境中富集了大量的抗生素，对水环境和水生态系统造成了严重的危害。由于抗生素污染有可能导致抗生素耐药性基因（args）的出现和传播，已成为当前重要的环境问题。研究如何高效、环保、简单、低成本地处理水体中的有机污染物已经迫在眉睫。

2、光催化技术凭借其操作简单、低成本以及其环境友好性成为一种去除水中污染物的有效技术之一。其中，g-c3n4是一种光催化性能优良的聚合物半导体材料。与传统的半导体光催化剂相比，g-c3n4具有高化学和热稳定性、中等能隙（2.7 ev）、理想的电子结构、无毒、低密度的优异特性，已成为环境污染治理领域最热门的光催化材料之一。然而，一些缺点严重限制了它的广泛应用，包括光诱导载流子的快速重组、可见光的利用不足、难以回收等。如何解决这些问题来实现高效的光催化仍然是一个困难的挑战。

3、fevo4是一种具有较低的带隙半导体，是一种高稳定性、高选择性的催化剂，具有光催化降解有机污染物和催化脱氢等多种应用。利用fevo4与g-c3n4复合构筑异质结可以有效增加g-c3n4的光催化性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是要解决g-c3n4光诱导载流子的快速重组、可见光的利用率低、颗粒易于团聚和反应活性位点少等不足的问题，而提供的一种微波辅助水热制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法。

2、一种微波辅助水热制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法是按以下步骤完成的：

3、一、g-c3n4前驱体的制备：

4、①将三聚氰胺均匀分散到去离子水中，放入烧杯中得到a溶液。同样，将三聚氰酸分散到另一个烧杯中，得到另一种溶液b。

5、②将a溶液与b溶液混合，剧烈搅拌一定时间，得到制备g-c3n4的悬浮前体产物。自然冷却至室温后，离心得到g-c3n4前驱体白色粉末，用去离子水和乙醇洗涤，最后在烘箱中干燥。

6、二、cqds的制备：

7、①生物质（根、茎，叶）先用去离子水彻底清洗几次，然后在烘干箱中干燥，最后用粉碎机粉碎成粉末。

8、②依次将生物质（根、茎、叶）粉末、硼酸和尿素在烧杯中剧烈搅拌，逐渐分散到去离子水中，然后转入聚四氟乙烯(ptfe)微波反应釜。之后，将反应釜密封，并在微波反应器中一定温度下反应一定时间。

9、③冷却至室温后，用注射器过滤得到cqds溶液，去除颗粒较大的残留物，转移到分子截留量为14000 da的透析袋中，透析一定时间。

10、④最后，在旋转蒸发器上蒸发，在真空烘箱中干燥，用玛瑙研钵研磨，得到cqds粉末。

11、三、g-c3n4/cqds的制备

12、①将制备的cqds溶于去离子水中，配制cqds储备液。

13、②称取一定质量的g-c3n4前驱体，量取一定量的cqds储备液，并将二者混合，加入适量去离子水，超声分散均匀后转移至旋转蒸发器中蒸发。

14、③收集得到的粉末，在n2气氛下煅烧，得到g-c3n4/cqds。

15、四、g-c3n4/cqds/fevo4的制备

16、①首先，将fecl3·6h2o溶解在去离子水中，形成澄清橙色溶液a。然后，将nh4vo3溶解到去离子水中加热，记为溶液b。

17、②将步骤①中溶液b在剧烈搅拌下加入到溶液a中，形成黄色溶液，并将以上形成的二元g-c3n4/cqds在超声作用下均匀分散到上述前驱体溶液中持续搅拌。

18、③将步骤②中混合溶液转移至微波反应釜中，并在微波反应器中反应。

19、④收集获得的沉淀物，去离子水和乙醇离心洗涤数次，随后转移至烘箱中干燥后用玛瑙研钵研磨，得到g-c3n4/cqds/fevo4光催化剂。

20、本发明的优点：

21、一、本发明提供一种微波辅助水热制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法，其制备工艺简单易操作、成本低廉、设备投资少和适合推广应用；

22、二、本发明通过cqds诱导，解决了纯g-c3n4易团聚、比表面积小、活性位点不足、可见光利用效率不高等问题；

23、三、本发明所制备的g-c3n4/cqds/fevo4具有稳定性较好、污染小、耗能低、周期短、产品性能好等优点，具有重要的理论和实用意义；

24、四、本发明所采用的微波辅助水技术，具有可控性高、反应温度低、占地面积小及环境友好等优点；

25、五、本发明通过cqds诱导g-c3n4在一定程度上解决了可见光的利用率低、颗粒易于团聚、反应活性位点少等不足的问题，再通过复合fevo4构筑异质结降低了电子空穴复合率，提高了光催化性能，在180min内对左氧氟沙星的降解率达到95.8%，可以显著去除左氧氟沙星抗生素污染物。

26、本发明可获得一种微波辅助水热制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂。

技术特征：

1.一种微波辅助水热制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法及应用，其特征在于以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种微波辅助法制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法，其特征在于步骤一①中三聚氰胺添加量为5g~20g，三聚氰酸添加量为2g~8g。

3.根据权利要求1所述的一种微波辅助法制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法，其特征在于步骤二中生物质（根、茎、叶）的添加量为0.4g~1.6g，硼酸的添加量为0.2g~0.8g，尿素的添加量为0.1g~0.4g （硼酸和尿素的质量比为2:1），去离子水的体积为15ml~60ml。

4.根据权利要求1所述的一种微波辅助法制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法，其特征在于步骤二中微波反应器的温度为120℃~180℃，反应时间为30min~80min。

5.根据权利要求1所述的一种微波辅助法制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法，其特征在于步骤三中碳点储备液的浓度为1 g·l-1~5 g·l-1，前驱体添加质量为1g~5g，碳点储备液添加量为（5ml ~ 40ml），去离子水添加量为10ml~100ml。

6.根据权利要求1所述的一种微波辅助法制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法，其特征在于步骤三中煅烧温度为350℃~550℃，煅烧时间为1~4小时。

7.根据权利要求1所述的一种微波辅助法制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法，其特征在于步骤四①中fecl3·6h2o 和nh4vo3添加量为1mmol~20 mmol，fecl3·6h2o和nh4vo3的摩尔比为（1:1），去离子水添加量为50ml~250ml。

8.根据权利要求1所述的一种微波辅助法制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法，其特征在于步骤四②中二元g-c3n4/cqds添加量为1g~5g。

9.根据权利要求1所述的一种微波辅助法制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法，其特征在于步骤四③中微波反应器温度为120℃~180℃，反应时间为30min~180 min。

10.根据权利要求1所述的一种微波辅助法制备g-c3n4/cqds/fevo4异质结光催化剂的方法，其特征在于步骤四④中烘干温度为50℃~90℃，烘干时间为6~24小时。

技术总结
本发明涉及一种微波辅助水热制备g‑C3N4/CQDs/FeVO4异质结光催化剂的方法及应用。本发明的目的是解决g‑C3N4光催化剂易团聚，活性位点少，光生电荷传输性能差且容易复合重组，光降解性能低等不足。制备方法：一、制备g‑C3N4前驱体粉末；二、微波辅助水热法用生物质（根、茎，叶）制备碳量子点粉末；三、制备碳量子点诱导的g‑C3N4二元复合物；四、利用FeCl3·6H2O和NH4VO3为原料制备溶液，然后加入g‑C3N4/CQDs，用微波辅助水热法制备g‑C3N4/CQDs/FeVO4三元复合物。五、将步骤三得到的沉淀物洗涤、干燥、研磨，得到g‑C3N4/CQDs/FeVO4异质结光催化剂。本发明可获得一种高性能和价格低廉的g‑C3N4/CQDs/FeVO4异质结光催化剂以及高效、环保、工艺简单和成本低廉的g‑C3N4/CQDs/FeVO4异质结光催化剂制备技术。

技术研发人员：董国华,韩鹏达,吕君,张文治,柴东凤,张转芳,张东哲,聂鑫
受保护的技术使用者：齐齐哈尔大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24