本发明专利技术属于光催化材料领域，更具体地，涉及一种可见光响应型g‑C3N4/PDI光催化剂、其制备方法和应用。通过将低聚合度的g‑C3N4与PMDA复合，得到一种光催化性能远远高出g‑C3N4的催化剂(g‑C3N4/PDI)，并将其应用于水体中As(III)和Cr(VI)的转化。该催化剂能将氧气选择性还原为H2O2，除了催化剂本身对As(III)和Cr(VI)的转化之外，催化剂产生的产物能进一步转化As(III)和Cr(VI)。由此解决现有技术的可见光催化剂g‑C3N4处理水体中As(III)和Cr(VI)催化效率低，以及现有的水体中As(III)和Cr(VI)缺乏有效处理方法的技术问题。
Visible light responsive g-C3N4/PDI photocatalyst, preparation method and application thereof
The invention belongs to the field of photocatalytic materials and more specifically relates to a visible light responsive g_C3N4/PDI photocatalyst, a preparation method and application thereof. A photocatalytic catalyst (g_C3N4/PDI) with low degree of polymerization of g_C3N4 and PMDA was prepared and applied to the conversion of As (III) and Cr (VI) in water. The catalyst can selectively reduce oxygen to H2O2. Besides the conversion of As (III) and Cr (VI) by the catalyst itself, the products produced by the catalyst can be further converted into As (III) and Cr (VI). Therefore, the low catalytic efficiency of visible light photocatalyst g_C3N4 for treating As (III) and Cr (VI) in water and the lack of effective treatment methods for As (III) and Cr (VI) in existing water are solved.
【技术实现步骤摘要】
一种可见光响应型g-C3N4/PDI光催化剂、其制备方法和应用
本专利技术属于光催化材料领域，更具体地，涉及一种可见光响应型g-C3N4/PDI光催化剂、其制备方法和应用。
技术介绍
酸性废水中的重金属复合污染已成为环境科学家和工程技术人员几十年一个艰巨的问题。如果处理不当，含有丰富的重金属离子，如含有铅、镍、铜、砷或铬的废水可能流入地表水或渗入地下水，对水生生物及饮用水源构成了极大的威胁。因此，在重金属排放到环境中之前先除去它们是非常必要的。砷、铬作为优先污染物，毒性很强，经常与高酸性废水并存(如矿山酸性排水)。砷、铬的价态对环境的毒性作用有决定性的影响。例如，As(III)在自然的环境中是最普遍的存在形式，对哺乳动物来说，As(III)比As(V)毒性更强。此外，As(III)的迁移性也比As(V)的强。因此，将As(III)预氧化为As(V)是去除水体中砷的关键步骤。同样，Cr(VI)在酸性废水中的毒性及迁移性也比Cr(III)强很多，而Cr(III)具有较低的毒性和不溶性。因此，在酸性条件将Cr(VI)还原Cr(III)有利于铬物种完全去除。近年来，有研究通过利用贵金属电极催化等方法实现了对As(III)和Cr(VI)的共同转化，但由于这些方法所需的材料以及电能、药品等消耗带来的成本问题而难以实际应用。石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种非金属有机聚合物半导体。因为具有很好的化学稳定性，热稳定性，半导体性能，合适的禁带宽度(2.7eV)及导带(CB,-1.3V)，价带(VB,1.4V)位置，被认为在光催化领域有很大使用潜力。到目前为止,g-C3N4作为可见光催化剂已经被广泛应用于光催化新能源生产，污染物去除以及有机化合物合成等方面。光催化技术的主要目标是制备廉价、高效、稳定的光催化剂。合成g-C3N4的原料价廉、来源丰富，方法简单，满足廉价要求。但在高效和稳定性方面，还远未达到要求。这主要是因为g-C3N4存在对可见光的利用效率低、光生电子与空穴快速复合的缺点。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷及改进需求，本专利技术提供了一种可见光响应型g-C3N4/PDI光催化剂、其制备方法和应用，其目的在于通过将低聚合度的g-C3N4(melem)与PMDA复合，得到一种光催化性能远远高出g-C3N4的催化剂(g-C3N4/PDI)，并将其应用于水体中As(III)和Cr(VI)的转化，由此解决现有技术的可见光催化剂g-C3N4处理水体中As(III)和Cr(VI)催化效率低，以及现有的水体中As(III)和Cr(VI)缺乏有效处理技术等问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种可见光响应型g-C3N4/PDI光催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)制备前驱体melem：将三聚氰胺在400℃～520℃条件下烧制2～5个小时，水洗去除杂质，即可得到melem；(2)将步骤(1)所得melem与PMDA按照质量比1:(1～5)混合，在非氧气氛下于300℃～350℃条件下复合200min～300min，水洗干燥后即可获得g-C3N4/PDI光催化剂。优选地，步骤(1)将三聚氰胺在400℃～500℃条件下烧制。优选地，步骤(2)所述melem与PMDA复合温度为310℃～330℃。优选地，步骤(2)所述非氧气氛为氮气或稀有气体。优选地，步骤(2)所述非氧气氛为氮气。本专利技术提出了一种可见光响应型g-C3N4/PDI光催化剂，按照所述的制备方法制备得到。专利技术提出了一种所述的可见光响应型g-C3N4/PDI光催化剂的应用，应用于水体中As(III)的氧化处理、Cr(VI)的还原处理或同时进行As(III)的氧化处理和Cr(VI)的还原处理。优选地，应用时将所述可见光响应型g-C3N4/PDI光催化剂与含有As(III)和Cr(VI)中的至少一种的被污染水体进行混合，控制体系的pH在3～5范围，所述被污染水体中As(III)或Cr(VI)的浓度不高于1000μmol/L，在可见光光照条件下进行被污染水体的处理。优选地，所述水体中As(III)的浓度为10μmol/L～1000μmol/L，Cr(VI)的浓度为10μmol/L～1000μmol/L。优选地，所述水体的pH为3～4。优选地，所述水体的pH为3。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术将低聚合度的g-C3N4(melem)与PMDA复合，得到一种光催化性能远远高出g-C3N4的催化剂(g-C3N4/PDI)，更重要的是，该催化剂能将氧气选择性还原为H2O2。除了催化剂产生的产物(H2O2)对As(III)和Cr(VI)的转化之外，催化剂本身也能进一步转化As(III)和Cr(VI)。(2)本专利技术成功地制备出一种制备易、价格低、无金属的可见光响应的g-C3N4/PDI光催化剂，提供了一种光催化同时处理水中的As(III)和Cr(VI)的技术。该催化剂表现出更高的可见光催化剂活性，表明该催化剂的强氧化还原性和量子效率；(3)本专利技术在制备催化剂时不掺入贵金属，同时使用的材料价格低廉，因此本专利技术中的g-C3N4/PDI光催化剂成本很低。另外本专利技术中的催化剂制备方法简单，耗时短，因此适用于实际生产和应用；(4)本专利技术所制备的g-C3N4/PDI光催化剂是一种有机半导体，性质稳定，安全无毒，无重金属，因此可以广泛使用，同时催化剂的制备条件为325℃，在常温下非常稳定。(5)本专利技术中的催化剂在实际应用时，可以先负载于多孔材料表面，再进行光催化，一方面可以很好的实现催化剂与反应体系的分离，另外一方面可以减少催化剂的流失，提高催化剂的重复利用率。附图说明图1(a)为melem和g-C3N4/PDI光照下As(III)浓度变化，图1(b)为Cr(VI)浓度变化；图2(a)为不同pH条件下g-C3N4/PDI光催化As(III)的浓度变化，图2(b)为Cr(VI)浓度变化；图3(a)为不同污染物浓度条件下g-C3N4/PDI光催化As(III)的氧化产物As(V)的浓度变化，图3(b)为Cr(VI)浓度变化；图4为在马弗炉(air)与氮气保护条件下制备的前驱体melem复合得到的g-C3N4/PDI催化剂光照下图4(a)As(III)浓度变化，图4(b)为Cr(VI)浓度变化；图5为melem和g-C3N4/PDI可见光光照下过氧化氢的产量；图6为melem和g-C3N4/PDI的UV-vis光谱图；图7为可见光下氧化As(III)和还原Cr(VI)猝灭实验结果图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供了一种可见光响应型g-C3N4/PDI光催化剂的制备方法，g-C3N4/PDI在专利技术说明书附图中缩写为gCP；包括如下步骤：(1)制备前驱体melem：将三聚氰胺在400℃～520℃，优选400℃～500℃，进一步优选为425℃条件下烧制2～5个小时，再水洗去除杂质，即可得到melem；mele本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可见光响应型g‑C3N4/PDI光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备前驱体melem：将三聚氰胺在400℃～520℃条件下烧制2～5个小时，水洗去除杂质，即可得到melem；(2)将步骤(1)所得melem与PMDA按照质量比1:(1～5)混合，在非氧气氛下于300℃～350℃条件下复合200min～300min，水洗干燥后即可获得g‑C3N4/PDI光催化剂。
【技术特征摘要】
1.一种可见光响应型g-C3N4/PDI光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备前驱体melem：将三聚氰胺在400℃～520℃条件下烧制2～5个小时，水洗去除杂质，即可得到melem；(2)将步骤(1)所得melem与PMDA按照质量比1:(1～5)混合，在非氧气氛下于300℃～350℃条件下复合200min～300min，水洗干燥后即可获得g-C3N4/PDI光催化剂。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)将三聚氰胺在400℃～500℃条件下烧制。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述melem与PMDA复合温度为310℃～330℃。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述非氧气氛为氮气或稀有气体，优选为氮气。5.一种可见光响应型g-C3N4/PDI光催化剂，其特征在于，按照如权利要求1～...
【专利技术属性】
技术研发人员：张延荣，王钊，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42
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