氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开一种氧掺杂多孔的g‑C3N4光催化剂的制备方法，包括将三聚氰胺溶于去离子水中，在加热搅拌的条件下，逐滴加入含有醛基的有机物，将所得溶液放入烘箱中，于80‑150℃下烘干，得到前驱体；将前驱体研磨，在惰性气体的环境下进行煅烧，得到中间产物；将中间产物在空气环境下进行煅烧，得到目标产物。利用本发明专利技术方法制备的多孔氧掺杂g‑C3N4纳米材料，有效的促进电子转移，降低复合率，提高光催化活性，采取该方法处理前驱体不仅可以改变该体系结构还可以引入有用的外来原子，而且比以往的氧掺杂成本低、简单、操作方便，并且在可见光照射下可以有效地降解有机污染物。

Oxygen doped porous g-C3N4 photocatalyst and its preparation and Application

The invention discloses a preparation method of oxygen-doped porous g_C3N4 photocatalyst, which comprises dissolving melamine in deionized water, adding organic matter containing aldehyde group dropwise under heating stirring condition, putting the obtained solution into oven, drying at 80_150 C, and grinding the precursor to obtain the precursor with inertness. The intermediate products are obtained by calcination in the air environment, and the target products are obtained by calcination in the air environment. The porous oxygen-doped g_C3N4 nanometer material prepared by the method of the invention effectively promotes electron transfer, reduces the recombination rate and improves the photocatalytic activity. The treatment of the precursor by the method can not only change the structure of the precursor but also introduce useful foreign atoms, and is lower in cost, simpler in operation than the previous oxygen-doped g_C3N4 nanometer material. It can also effectively degrade organic pollutants under visible light irradiation.

【技术实现步骤摘要】
氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂及其制备方法与应用
本专利技术属于光催化材料
，具体涉及氧掺杂的且多孔的g-C3N4光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
目前随着工业的发展环境问题已经开始影响着人类的生活，虽然已有大量的方法用来解决这个问题，但是这些方法中多数会对环境造成二次污染，然而光催化技术依靠其经济，无二次污染成为最有前景的方法之一。g-C3N4是一种无机非金属材料，具有相对较小的带隙和稳定的光化学特性，在降解CO2，氮氧化物还原等领域有着广泛的应用，而且g-C3N4还是可见光降解有机污染物的高效光催化剂。但是目前的g-C3N4存在的问题是，光催化活性不高，比表面积小，光生电子易复合，量子效率低。因此为了提高活性做了很多的研究，如通过与其他材料的复合来提高活性；利用金属、非金属掺杂来促进电子转移来提高活性；通过氧元素的掺杂从而调节g-C3N4内在的电子和能带结构；增加g-C3N4光的吸收在可见光范围内是一种提高光催化活性的方式之一。但是在以往的大部分研究中所有的掺杂都是作用在g-C3N4，很少有研究处理前驱体达到元素掺杂的目的。虽然有用过氧化氢作为氧化剂达到氧掺杂的目的，但是这样不仅增加成本，而且对氧化程度也是一种挑战，因此寻找一个简单便捷的方式去构造氧掺杂多孔的g-C3N4迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的问题，提供一种氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂，采用含有醛基的有机物对三聚氰胺进行前驱体预处理以达到氧元素的掺杂的目的，含有醛基的有机物的加入使得氧元素成功存在g-C3N4的骨架中而且还提高比表面积，其制备方法简单、方便、低成本、条件温和、有利于大规模制备。本专利技术采用的技术方案为：氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂，制备方法包括如下步骤：1)将三聚氰胺溶于去离子水中，得三聚氰胺溶液；将三聚氰胺溶液在加热搅拌的条件下(20-80℃)，逐滴加入含有醛基的有机物，将所得混合液放入烘箱中，于80-150℃下烘干，得前驱体；2)将前驱体研磨，在惰性气体的环境下进行煅烧，得中间产物；3)将中间产物在空气环境下，进行煅烧，得到目标产物——氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂。所述的氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂，步骤1)三聚氰胺溶于80-100mL的去离子水中配制成浓度为0.01-3mol/L的得三聚氰胺溶液。所述的氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂，步骤1)每克三聚氰胺加入1.7-60μL含有醛基的有机物。所述的氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂，所述含有醛基的有机物为甲醛、三聚甲醛、丙醛或丙醛酸。所述的氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂，步骤2)将研磨后的前驱体在惰性气体的环境下，于管式炉中进行煅烧，煅烧温度为450-600℃，煅烧时间为1-6h。所述的氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂，步骤3)将中间产物在空气环境下，于马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为450-550℃，煅烧时间为1-5h。所述的氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂在可见光下催化降解有机污染物异丙醇的应用。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用甲醛对三聚氰胺进行前驱体预处理以达到氧元素的掺杂的目的，甲醛的加入使得氧元素成功存在g-C3N4的骨架中而且还提高比表面积。本专利技术成功在g-C3N4的结构成功引入氧原子，这种方法不仅仅比以往的氧掺杂成本低，而且还形成一个多孔的结构，从而也增大比表面积，这样更容易使光生电子-空穴有效分离，降低复合率，可以更有效的提高光催化活性。利用本专利技术的方法制备的多孔的氧掺杂的g-C3N4纳米材料，有效的促进电子转移，降低复合率，提高光催化活性，采取该方法处理前驱体不仅可以改变该体系结构还可以引入有用的外来原子，而且比以往的氧掺杂成本低、简单、操作方便，这是一个很好的策略去构建一个高效的g-C3N4光催化剂，并且在可见光照射下可以有效地降解有机污染物。而且本专利技术所提供的制备方法，其原料廉价，实验所需用量少，操作简单，极大程度降低了成本，而且对环境无污染，实现了绿色化学。在可见光下降解异丙醇产生丙酮的速率是纯的g-C3N4样品8.3倍左右。附图说明图1为实施例1制备的CN0光催化剂的XRD测试。图2为实施例1制备的CN0光催化剂的SEM图。图3为实施例2制备的CN1光催化剂的XRD测试。图4为实施例2制备的CN1光催化剂的SEM图。图5为CN0和CN1的氮气吸附脱附图。图6为实施例3制备的CN2光催化剂的XRD测试。图7为实施例3制备的CN2光催化剂的SEM图。图8为CN0和CN2的氮气吸附脱附图。图9为CN0、CN1和CN2光催化降解异丙醇气体的活性对比图。图10为CN0、CN1和CN2光催化剂XPS图。图11为CN0、CN1和CN2光催化剂XPSO1s图。具体实施方式实施例1纯的g-C3N4(CN0)光催化剂(一)制备方法直接将2.52g的三聚氰胺，在氮气的环境下，在550℃煅烧2-4h，升温速率为5℃/min，得纯的g-C3N4(CN0)光催化剂。(二)检测图1为样品CN0的XRD测试图，由图1可见，样品在13°和27°有二个衍射峰。图2为样品CN0的SEM图，由图2可见，纯的g-C3N4的颗粒比较大，全部团聚在一起。实施例2氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂(一)制备方法1)将2.52g三聚氰胺加入100mL去离子水中，在80℃的水浴锅中加热并磁力搅拌30min至溶解，得三聚氰胺溶液。在80℃加热搅拌条件下，向三聚氰胺溶液中，逐滴加入4.59μL甲醛，加热继续搅拌2h，将所得混合液放入烘箱中，于120℃下烘干24h，得固体，即为前驱体；2)将前驱体放入研钵中研磨，放入氧化铝的坩埚内，于管式炉中，在氮气的环境下，于550℃煅烧4h，得中间产物GN1；3)将中间产物GN1在马弗炉中，在空气的环境下，于550℃煅烧4h，除去甲醛的碳残留，得到目标产物——氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂(CN1)。(二)检测图3为实施例2制备的CN1的XRD测试图，由图3可见，样品在13°和27°有二个衍射峰，符合石墨相氮化碳的衍射峰，与纯的g-C3N4衍射峰相似。图4为实施例2制备的CN1的SEM图，由图4可见，样品表面有许多大的孔，颗粒尺寸较小。通过XRD测试图已经确定了CN1为石墨相化氮，由图4可见，晶粒尺寸大约13.6nm。通过图2可以看出CN0类似一个层状的固体聚合结构，颗粒尺寸较大，而CN1具有完全不同的形貌，更像是一个多孔的纳米片状，颗粒尺寸明显减小。图5为CN0和CN1的氮气吸附脱附图，由图5可见，这是属于类型3的典型等温曲线，存在弱的吸附作用，这就暗示着CN1是一个多孔的材料。也可以看出CN1的吸附性远远高于CN0，进一步说明制备出来的样品存在着更多的孔，存在着更大的比表面积。数据显示所得到的比表面积为135m2g-1，是CN0的15倍左右，孔的体积为0.768cm3g-1，而纯的只有0.089cm3g-1，样品出现了更多的孔，证明是一个多孔的材料，因此会导致更好的光催化活性。实施例3氧掺杂多孔的g-C3N4复合光催化剂(一)制备方法1)将2.52g三聚氰胺加入100mL去离子水中，在60℃的水浴锅中加热并磁力搅拌30min至溶解，得三聚氰胺溶液。在60℃加热搅拌下，向三聚氰胺溶液中，逐滴加入11.46μL甲醛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.氧掺杂多孔的g‑C3N4光催化剂，其特征在于，制备方法包括如下步骤：1)将三聚氰胺溶于去离子水中，得三聚氰胺溶液；将三聚氰胺溶液在加热搅拌的条件下，逐滴加入含有醛基的有机物，将所得混合液放入烘箱中，于80‑150℃下烘干，得前驱体；2)将前驱体研磨，在惰性气体的环境下进行煅烧，得中间产物；3)将中间产物在空气环境下，进行煅烧，得到目标产物——氧掺杂多孔的g‑C3N4光催化剂。

【技术特征摘要】
1.氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂，其特征在于，制备方法包括如下步骤：1)将三聚氰胺溶于去离子水中，得三聚氰胺溶液；将三聚氰胺溶液在加热搅拌的条件下，逐滴加入含有醛基的有机物，将所得混合液放入烘箱中，于80-150℃下烘干，得前驱体；2)将前驱体研磨，在惰性气体的环境下进行煅烧，得中间产物；3)将中间产物在空气环境下，进行煅烧，得到目标产物——氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂。2.根据权利要求1所述的氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂，其特征在于，步骤1)三聚氰胺溶于80-100mL的去离子水中配制成浓度为0.01-3mol/L的得三聚氰胺溶液。3.根据权利要求1所述的氧掺杂多孔的g-C3N4光催化剂，其特征在于，步骤1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭强，韩东远，范晓星，宋朋，韩宇，王绩伟，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21