一种新型g-C3N4衍生碳质吸附剂和光催化材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种新型g-C3N4衍生碳质吸附剂和光催化材料的制备方法 (Novel g-C3N4Method for preparing derived carbonaceous adsorbent and photocatalytic material ) 是由 王辉 王洋 王怀悦 王博 丁克强 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种新型g-C3N4衍生碳质吸附剂和光催化材料的制备方法。具体而言,本发明首先采用热诱导前驱体发生一系列缩聚反应得到石墨相氮化碳g-C3N4,随后采用催化剂(高铁酸钾)一步法实现g-C3N4同步碳化和石墨化,将经高铁酸钾(K2FeO4)溶液完全浸渍后的g-C3N4置于管式炉中进行煅烧,通过调节催化剂的用量及碳化温度控制其微/介孔结构和石墨化程度。最终制得光催化剂材料的一种新型多孔g-C3N4衍生碳质材料。本发明的光催化剂材料吸附能力强,可快速吸附水中污染物,在光照条件下光催化剂可对污染物进行高速降解,表明它们的高活性、低成本双功能。(The invention relates to a preparation method of a novel g-C3N4 derived carbonaceous adsorbent and a photocatalytic material. Specifically, the method comprises the steps of firstly adopting a thermal induction precursor to carry out a series of polycondensation reactions to obtain graphite-phase carbon nitride g-C3N4, then adopting a catalyst (potassium ferrate) to realize synchronous carbonization and graphitization of g-C3N4 by a one-step method, placing g-C3N4 which is completely impregnated by a potassium ferrate (K2FeO4) solution in a tubular furnace to calcine, and controlling the micro/mesoporous structure and graphitization degree by adjusting the dosage of the catalyst and the carbonization temperature. Finally, a novel porous g-C3N4 derived carbonaceous material of the photocatalyst material is prepared. The photocatalyst material has strong adsorption capacity, can quickly adsorb pollutants in water, and can degrade the pollutants at high speed under the illumination condition, thereby showing the dual functions of high activity and low cost.)
技术领域
本发明涉及一种催化剂，具体涉及一种新型g-C3N4衍生碳质吸附剂和光催化材料。
背景技术
随着现代工业的发展，生态环境不断恶化。我国大部分水体受到不同程度的污染，然而传统污水处理技术，处理效率不高、易造成二次污染、成本高和应用面窄等缺点，许多科研工作者致力于研究高稳定性、高活性、环保经济的半导体光催化剂来治理环境污染。g-C3N4材料被认为是一种潜在替代Pt，降低成本，提高光催化剂的性能的材料。N元素的合并碳材料赋予它们独特的电子结构不规则六边形碳环的性质，这是由于氮掺杂碳原子和π系统之间的晶格，从而增加了活性位点，显著提高了光催化活性。近年来，g-C3N4及衍生材料也得到了广泛的应用是贵金属的潜在替代品过渡金属型催化剂，进一步表明它们作为高活性、低成本双功能催化剂的潜力。
光电催化体系涉及光、催化剂和底物之间的多种相互作用，是一个比较复杂的化学反应体系，光电催化反应原理主要是指催化剂的催化反应原理以及各主要步骤的作用等。
采用催化剂一步法实现g-C3N4的同步碳化-石墨化，高比表面积和孔隙率有效地增加了反应活性位点，且高的石墨化程度提高了其电导率。这种新型一步法催化-石墨化工艺，有效的实现了g-C3N4在较低温度(<900℃)下同步“石墨化和碳化”处理。避免了传统工艺中为实现纳米多孔碳材料的高石墨化程度的对富碳前驱体的高温处理(>2500℃)或应力石墨化过程。使用高铁酸钾催化剂有效的降低了能耗，避免了传统石墨化工艺中氢氧化物或ZnCl2作为造孔剂和过渡金属硝酸盐或氯化物作石墨化催化剂的两步法制备策略。相比传统石墨化工艺，该工艺简单、安全、无污染、符合绿色化学原理要求。
催化石墨化形成的互相连接的多孔网络有利于促进光生电子从空穴中分离，减少载流子的传输距离，促使光生电子可以快速转移到表面进行化学反应，增强其光催化性能。
发明内容
针对上述情况，本发明的目的在于提供一种新型g-C3N4衍生碳质吸附剂和光催化材料，以及利用该光催化剂材料除去水体中的有机污染物的用途。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型g-C3N4衍生碳质吸附剂和光催化材料的制备方法，其包括如下步骤：
(1)用热聚合法在常压高温下使前驱体发生热聚合反应生成g-C3N4：
将前驱体放置圆铝盒中，在马弗炉中以一定的加热速率至一定温度煅烧，保温一定时间后，自然冷却至室温。将所得样品放入玛瑙研钵中研磨，得到粉末A；将粉末A溶于去离子水中超声处理，离心取清液B；将清液B抽滤得到纯的石墨相氮化碳(g-C3N4)。
(2)不同浓度催化剂溶液浸渍，和不同碳化和石墨化温度下的g-C3N4衍生碳质材料的制备：
将步骤1)中获得的纯的石墨相氮化碳(g-C3N4)经过不同浓度催化剂溶液C浸渍，经超声、抽滤，再将样品干燥后，放置管式炉中在气体气氛中将温度升至一定温度后保温一定时间，再自然冷却至室温。将样品溶于溶液D中，搅拌、超声、抽滤，再干燥，制得样品为g-C3N4衍生碳质材料。
优选的，在上述制备方法中，步骤2)中所述溶液A为高铁酸钾(K2FeO4)，其浓度为0.001mol/L。
优选的，在上述制备方法中，步骤2)中所述气体气氛为氮气。
优选的，在上述制备方法中，步骤2)中所述温度为700℃。
优选的，在上述制备方法中，步骤2)中所述溶液B为稀盐酸，其浓度为1mol/L。
通过上述制备方法得到的g-C3N4衍生碳质材料。
上述g-C3N4衍生碳质吸附剂和光催化材料在吸附和降解水中有机污染物中的用途。
与现技术相比，采用上述技术方案的本发明具有下列优点：
(1)g-C3N4作为C3N4五种晶相中的中唯一的稳态结构单元，是由三嗪环无限延伸呈网络结构。由于其成本低、环保无污染、稳定性好并且是非金属元素；
(2)石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种有前景的高活性光催化剂氮含量高，独特的的电子结构与石墨烯sp2键合结构相似，具有丰富的片层平面和缺陷，以及在成本低，环保，热化学稳定性高等方面的优势并且简单的可大规模制备性。因此，将高铁酸钾刻蚀g-C3N4经过高温催化石墨化，该方法可有效地提高材料比表面积和孔隙率从而增加活性位点以提高其催化性能。
(3)本工艺采用的新型催化石墨化工艺，有效实现了生物质在较低温度(<800℃)下同步“石墨化和碳化”处理。避免了传统工艺中为实现纳米多孔碳材料的高石墨化程度的对富碳前驱体的高温处理(>2500℃)或应力石墨化过程。互联的多孔网络不仅只降低了离子的输运阻力和扩散阻力，也提供更大的可接触表面积。而石墨化碳具有良好的导电性，多通道、多孔结构的g-C3N4衍生碳质材料，这可以促进离子运输以及电解质扩散和传输，提高反应动力学速率。石墨化温度大大降低(低于800℃)，有效的降低能耗。相比于大多数多孔石墨生物质碳制备方法的两步策略，该工艺简单，实验条件要求较低，因此该工艺具有低成本的优点。
附图说明
图1为g-C3N4的SEM图谱。
图2为g-C3N4及其催化石墨化衍生碳质材料的XRD图谱。
图3为g-C3N4衍生碳质材料的SEM图。
图4为g-C3N4衍生碳质材料的N2吸脱附曲线及孔径分布图。
图5为g-C3N4衍生碳质材料的吸附及光催化降解甲基橙曲线(前45min为黑暗吸附)。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例来进一步描述本发明的技术方案。除非另有特殊说明，下列实施例中所使用的试剂、材料、仪器等均可通过商业手段获得。
实施例1：用热聚合法在常压高温下使前驱体发生热聚合反应生成g-C3N4。
在室温下，取0.3g双氰胺放置圆铝盒中，在马弗炉中以2.3℃/min的速率上升至550℃煅烧，保温2h后，自然冷却至室温。将所得样品放入玛瑙研钵中研磨成粉末状，再溶于去离子水中超声处理，多次离心取清液。
从中可以看出g-C3N4由大量相互连接的三维超薄介孔纳米薄片组成。连续互联的网络结构可以提供大量的空穴和电位活性点。
实施例2：620℃催化石墨化制备的多孔g-C3N4衍生碳质材料。
在清液中加入高铁酸钾使浓度为0.0002mol/L，超声2h后，抽滤，再将样品冷冻干燥。将冷冻干燥后的粉末状样品放入管式炉中在氩气气氛中3℃/min上升至620℃后保温2h，自然冷却至室温。将样品溶于1mol·L-1的稀盐酸中，搅拌2h超声2h，再抽滤，冷冻干燥，制得样品为620℃-p-g-C3N4。
实施例3：700℃催化石墨化制备的多孔g-C3N4衍生碳质材料。
在清液中加入高铁酸钾使浓度为0.0002mol/L，超声2h后，抽滤，再将样品冷冻干燥。将冷冻干燥后的粉末状样品放入管式炉中在氩气气氛中3℃/min上升至700℃后保温2h，自然冷却至室温。将样品溶于1mol·L-1的稀盐酸中，搅拌2h超声2h，再抽滤，冷冻干燥，制得样品为700℃-p-g-C3N4。
实施例4：800℃催化石墨化制备的多孔g-C3N4衍生碳质材料。
在清液中加入高铁酸钾使浓度为0.0002mol/L，超声2h后，抽滤，再将样品冷冻干燥。将冷冻干燥后的粉末状样品放入管式炉中在氩气气氛中3℃/min上升至800℃后保温2h，自然冷却至室温。将样品溶于1mol·L-1的稀盐酸中，搅拌2h超声2h，再抽滤，冷冻干燥，制得样品为800℃-p-g-C3N4。
从最终产品的X射线衍射(XRD)分析图谱可以看出，g-C3N4的粉末XRD图谱中分别在2θ＝～13.30°和27.43°位置显示出两个衍射峰，其分别对应于g-C3N4的(100)和(002)晶面。g-C3N4中存在3-s-三嗪环结构，其中g-C3N4的(100)晶面是其面内的基本单元三嗪环规则分布排列形成的，而(002)晶面所对应的强衍射峰是其层状材料夹层堆叠反射引起的，经过高温碳化-石墨化后的p-g-C3N4衍射峰位置向高角度区域发生明显的偏移，层间距增加，石墨化程度增强。综上所述，经过高温碳化-石墨化后的g-C3N4结构层面间距增加，比表面积增加。
实施例5：g-C3N4碳化石墨化光催化剂材料对甲基橙的吸附测试。
取0.02g的样品分散在50ml去离子水中并超声30min，然后加入50ml 20mg L-1甲基橙水溶液。将混合溶液置于黑暗中不断搅拌，分别在0、15、30和45min用过滤器提取5ml上清液，用紫外分光光度计测定最大吸收波长处的吸光度，得到残留杂质浓度。
实施例6：g-C3N4碳化石墨化光催化剂材料对甲基橙的光催化降解实验。
使用300W的氙灯作为光源，将入射光的强度调整为1个太阳光强度。将0.02g光催化样品分散在50ml去离子水中并超声处理1h，然后加入50ml 20mg L-1的甲基橙水溶液；将混合溶液置于黑暗下搅拌45min后用过滤器抽取5ml上层清液，并标记为0；将悬浊液置于可见光照射，并不断搅拌，每隔5min用过滤器抽取5ml上层清液，并依此标记为1、2、3、4和5；紫外可见分光光度计测试其吸光度，并对收集得到的数据进行处理。
从中可以看出，在模拟太阳光照射下以甲基橙(MO)作为标准模型污染物，可以看出经过45min搅拌达到吸附/解吸平衡，吸附性能大大增加，说明孔隙率增多，比表面积增加。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：光催化剂及其制备方法