一种磁性纳米复合光催化材料及其制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种磁性可分离的g_C3N4/Ag/Fe304纳米复合光催化材料及其制备方法，属于光催化复合材料技术领域。
【背景技术】
[0002]半导体材料为基础的光催化剂，作为一种绿色经济的技术，其在有机污染物降解中的应用潜力引起了环境治理与修复领域的广泛关注。然而，半导体光催化材料的大规模使用往往受到两个方面的限制。首先，较宽的带隙抑制了光催化剂对太阳光的吸收和利用；其次，对污染物进行降解后的光催化剂分散于处理后的溶液中，难于分离和回收。所以，材料的高效性、稳定性、成本、和对光的使用效率成为选择半导体光催化材料的重要标准。
[0003]2009年，科学家发现了不含金属组分的共轭聚合物石墨相氮化碳(g_C3N4)可见光光催化材料，并研究了石墨相氮化碳的能带结构，发现g_C3N4具有典型的半导体能带结构，带隙约为2.7eV，比表面积为10m2/g，在λ >387nm可见光诱导下，能发生催化氧化还原反应。与传统半导体材料相比，氮化碳具有优良的耐磨性，化学稳定性和热稳定性，且制备方法简单。由于其本身的有机特点，g_C3N4的电子带隙结构可发生改变，所以对其进行修饰或改性也易于实现。
[0004]氮化碳聚合物作为光催化剂还存在一些问题，比如表面积小、产生光生载流子的激子结合能高、量子效率低和禁带宽度偏大(λ <460nm)而不能有效利用太阳光等。较为常见的提高g-C3N4光催化活性的方法为，对g-C 3N4进行贵金属(如Au、Ag、Pt等)或其他半导体材料的修饰。但由于g_C3N4为基础的材料在溶液中高度分散，催化剂可回收性和重复利用性差，传统的分离技术导致催化材料的大量损失，从而限制了此类光催化材料在实际中的广泛应用。
[0005]磁性光催化剂，作为一种较为新兴的光催化材料，提供了一种利用外加磁场将光催化剂进行分离回收的高效方法。这类材料往往由磁性材料和光催化材料合成，因此，对可见光催化材料和低成本的磁性材料的选择成为制备磁性光催化剂的重要研究方向。在众多磁性材料(如 Fe3O4, γ -Fe2O3和 MFe 204，此处 M 为 Ba+2, Ni+2, Mg+2, Co+2, Mn+2,和 Zn+2)中，Fe3O4由于其价格低廉、无毒害、磁性强被广泛用于制备磁性光催化剂。与其他金属氧化物的半导体特点不同，Fe3O4的导电性可达1.9Χ 10 6s/m，具有较高的导电性和相称的能带结构。使用磁性的Fe3O4纳米粒子对g-C 3N4进行修饰可得到可见光光催化效率较高的磁性纳米复合光催化材料。
【发明内容】
[0006]目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种磁性可分离的g_C3N4/Ag/Fe304纳米复合光催化材料及其制备方法，采用的制备方法简单易行，可重复性强，且无需模板和后续处理，适用于大规模生产。
[0007]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为: 一种磁性纳米复合光催化材料的制备方法，包括以下步骤:
(1)称取一定量的三聚氰胺于坩祸中，将坩祸放入马弗炉中，将马弗炉以2~3°c/min的升温速率加热至520~550°C后，保持温度焙烧4-5h，待坩祸自然冷却后取出，得到淡黄色粉末状 g_C3N4;
(2)取适量步骤(I)得到的g_C3N4，溶入乙醇和水的混合物中，并超声分散；
(3)取适量FeCl3.6H20和FeCl2.4H20分别溶入蒸馏水中配置成溶液，并加入g_C3N4悬浮液中，将混合物在70~90°C下搅拌30~40min，得到红色悬浮液；
(4)加入适量NH4OH溶液，保持温度不变并继续搅拌30~40min，得到黑色沉淀物；
(5)待产物冷却后进行过滤，并用蒸馏水和乙醇溶液反复洗涤，并在70~90°C下干燥，得到 g-C3N4/Fe304；
(6)取适量步骤(5)得到的g_C3N4/Fe304纳米粒子分散于25~35ml蒸馏水中，加入硝酸银溶液并于室温下搅拌30~40min，过滤，洗涤，干燥；
(7)将得到的粉末加入到硼氢化钠溶液中并于室温下搅拌30~40min，过滤，洗涤，并于55~65°C下干燥，即得到磁性可分离的g_C3N4/Ag/Fe304纳米复合光催化材料。
[0008]作为优选方案，步骤(2)中，乙醇和水的体积比为1:2。
[0009]作为优选方案，步骤(2 )中，超声分散时间为4~6h。
[0010]作为优选方案，步骤(3)中，FeCl3.6H20配置成溶液后Fe3+摩尔体积约lmol/L，Fe3+和Fe 2+的摩尔体积比为2:1。
[0011]作为优选方案，步骤(4)中，加入的NH4OH溶液保证溶液维持在pH9.5-10.5。
[0012]作为优选方案，步骤(6)中，加入的硝酸银溶液浓度为0.1-0.15mol/L，所添加体积为 20~25ml。
[0013]作为优选方案，步骤(7)中，加入的硼氢化钠溶液浓度为15~20mg/ml，所添加体积为 20~25ml。
[0014]本发明还提出一种磁性纳米复合光催化材料，采用上述的磁性纳米复合光催化材料的制备方法制得。
[0015]所述的磁性纳米复合光催化材料，其特征在于:Fe304和银纳米粒子稳定地分布于薄片状g_C3N4表面。纳米粒子之间的聚合在很大程度上受到了抑制，使得材料具有良好的磁性可分离性质。
[0016]有益效果:本发明提供的磁性可分离的g_C3N4/Ag/Fe304纳米复合光催化材料及其制备方法，具有如下优点:
(I)本发明提供的制备方法简单易行，可重复性强，无需模板和任何附加剂，无需后续处理，对生产设备要求低，可应用于大规模生产。
[0017](2)本发明方法制备的磁性可分离的g_C3N4/Ag/Fe304纳米复合光催化材料，具有较高的可见光光催化活性，可实现污染物降解后的磁性分离，实际应用中可通过外加磁场实现材料的回收和重复利用，在环境污染修复中拥有较好的应用前景。
[0018](3)本发明方法制备的磁性可分离的g_C3N4/Ag/Fe304纳米复合光催化材料，其光催化活性和磁性大小可调可控，g_C3N4纳米片表面的Ag和Fe 304纳米粒子负载量可通过调节制备过程中各组分比例和制备条件来控制。
【附图说明】
[0019]图1为实施例1制备的g_C3N4的透射电镜图。
[0020]图2为实施例1制备的g_C3N4/Ag/Fe304纳米复合光催化材料的透射电镜图。
[0021 ] 图3为实施例1制备过程中各材料X射线衍射分析(XRD )对比图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
[0023]实施例1
(I)称取3g的三聚氰胺于坩祸中，将坩祸放入马弗炉中，将马弗炉以2.3°C /min的升温速率加热至530°C后，保持温度焙烧4h，待坩祸自然冷却后取出，得到淡黄色粉末状g-C3N4。结合图1中g_C3N4的透射电镜图可以看出，纯g-C 3N4的结构为薄的纳米片状。
[0024](2)取125mg步骤(I)得到的g_C3N4，溶入500ml乙醇和水的混合物中(其中乙醇167ml，水333ml )，并超声分散5h。
[0025](3)取适量 1.838g FeCl3.6H20 和 0.703g FeCl2.4H20 分别溶入 20ml 蒸馏水中配置成溶液，并加入g_C3N4悬浮液中，将混合物在80 °C下搅拌40min，得到红色悬浮液。
[0026](4)快速加入适量NH4OH溶液，控制pH值为10，保持温度不变并继续搅拌40min，得到黑色沉淀物。
[0027](5)待产物冷却后进行过滤，并用蒸馏水