一种多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种多级蛋壳结构g‑C3N4/TiO2复合材料及制备方法和应用，为2～5nm片状g‑C3N4沉积蛋壳结构TiO2表面，按步骤：1、将叔丁醇加到乙二醇中混匀；叔丁醇与乙二醇体积比为1:5～5:1；2、在40～60℃恒温，缓慢加入TiF4粉末混匀；混合后TiF4浓度为0.01‑0.04M；3、将混合液移到反应釜进行醇热反应，140～160℃条件下处理2天以上；所得样品取出离心、洗涤、烘干，得蛋壳结构TiO2；4、将二氰二胺加到氧化铝坩埚，再在坩埚内水平放置玻璃片，将蛋壳结构TiO2加入到玻璃上；二氰二胺加入量与TiO2质量比为1:5～5:1；密闭高温焙烧，制备得该材料。

【技术实现步骤摘要】
一种多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种光催化复合材料及其制备方法，具体涉及一种多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料及其制备方法和应用。属于环境材料

技术介绍
随着全球工业的高速发展，环境污染问题日益凸显。半导体光催化技术因可利用太阳能解决环境污染问题而备受青睐。TiO2半导体材料由于其无毒无害、催化性能高、化学稳定性好、价廉易得及可直接利用太阳光等突出优点，受到人们的广泛关注和重视。然而TiO2本身禁带宽度较大(约为3.2eV)，只能吸收紫外光(<387.5nm)，对太阳光的利用率低。同时，TiO2的光生电子-空穴复合率高，影响光催化效率，因而在实际应用中存在较大的局限性。开发高效实用的光催化剂应用于环境污染物降解，是当前国际光催化领域的难点问题。通过复合能带位置匹配的半导体材料有助于提高TiO2光催化反应的量子效率。然而，简单地将两种半导体材料复合构建异质结并不能实现光生载流子在界面处的高效分离和迁移。因此，对异质结界面进行精确调控形成足够多的有效接触面积是保证光生电子和空穴在界面处顺利分离和迁移的关键。g-C3N4纳米片和TiO2纳米片由于具有二维平整结构和较大表面积，可以在构建异质结过程中形成更多的接触面积。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对现有TiO2光催化剂光利用率低、量子效率低的问题，提供一种多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料。其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。一种多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料，所述复合材料为厚度为2～5nm的片状g-C3N4沉积蛋壳结构TiO2的表面，该复合材料采用以下制备步骤：(1)、将一定比例的叔丁醇加入到乙二醇中，搅拌混合均匀；所述叔丁醇与乙二醇的体积比为1:5～5:1(优选5:1)；(2)、在40～60℃恒温条件下，缓慢地加入TiF4粉末，搅拌至混合均匀；混合后TiF4的浓度为0.01-0.04M(优选0.04M)；(3)、将混合溶液转移到反应釜中进行醇热反应，在140～160℃(优选160℃)条件下处理2天以上(优选2天)；所得样品取出后离心、洗涤、烘干，得到蛋壳结构TiO2；(4)、将一定量的二氰二胺加入到氧化铝坩埚中，再在坩埚内水平放置一片玻璃片，将蛋壳结构TiO2加入到玻璃上；所述二氰二胺的加入量与TiO2的质量比为1:5～5:1；密闭条件下，在马弗炉中高温焙烧，制备得到所述多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料。作为本技术方案的进一步改进，步骤(4)中所述二氰二胺的加入量与TiO2的质量比为1:4、1:2、3:4、4:5、1:1、5:4或3:2。作为本专利技术的优选实施例之一，所述玻璃片为固定大小的2cm*2cm玻璃片。作为本专利技术的另一优选实施例，沉积的g-C3N4纳米片尺寸为2.4nm。其中，步骤(4)高温热焙烧处理时，焙烧温度分别为450℃，500℃，550℃，600℃，650℃，优选焙烧温度为550℃。另外。步骤(4)高温热焙烧处理时，焙烧时间分别为1h，2h，3h，4h，5h。优选焙烧时间为3h。本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供一种多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：(1)、将一定比例的叔丁醇加入到乙二醇中，搅拌混合均匀；所述叔丁醇与乙二醇的体积比为1:5～5:1；(2)、在40～60℃恒温条件下，缓慢地加入TiF4粉末，搅拌至混合均匀；混合后TiF4的浓度为0.01-0.04M；(3)、将混合溶液转移到反应釜中进行醇热反应，在140～160℃条件下处理2天以上；所得样品取出后离心、洗涤、烘干，得到蛋壳结构TiO2；(4)、将一定量的二氰二胺加入到氧化铝坩埚中，再在坩埚内水平放置一片玻璃片，将蛋壳结构TiO2加入到玻璃上；所述二氰二胺的加入量与TiO2的质量比为1:5～5:1；密闭条件下，在马弗炉中高温焙烧，制备得到2-5nm厚的g-C3N4纳米片沉积于蛋壳结构TiO2表面的多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料。作为该方法的优选实施例，所述玻璃片为固定大小的2cm*2cm玻璃片。作为该方法的另一优选实施例，沉积的g-C3N4纳米片尺寸为2.4nm。作为该方法的又一优选实施例，步骤(4)中所述二氰二胺的加入量与TiO2的质量比为1:4、1:2、3:4、4:5、1:1、5:4或3:2。同样作为本方法的优选实施例之一，步骤(2)中的恒温条件为40℃，搅拌时间为3小时；步骤(3)的烘干温度为80℃。本专利技术所要解决的又一技术问题在于提供一种前述多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料在光催化降解RhB溶液中的应用。本专利技术提供的多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料及其制备方法，以该方法制备的TiO2具有蛋壳结构，可对光进行多次反射。沉积的g-C3N4纳米片尺寸约为2nm，与TiO2纳米片复合形成2D/2D二维平面构型的异质结，具有更多接触面积，应用于光催化降解RhB溶液表现出高效的降解效果。本专利技术采用醇热法制备由TiO2纳米片紧密交错堆积形成的蛋壳结构TiO2，通过化学气相沉积法在TiO2纳米片表面沉积小尺寸片状g-C3N4，通过调节叔丁醇、乙二醇的比例控制TiO2纳米材料的形貌，调节二氰二胺的用量制备不同g-C3N4负载量的复合材料。制备的g-C3N4/TiO2复合材料可以高效的降解有机污染物，具有广泛的应用前景。同时，为发展制备三维多级结构光催化材料提供了新方法。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作一详细说明。图1为化学气相沉积法制备光催化剂的装置示意图。图2为TiO2，g-C3N4，g-C3N4/TiO2(1:1)的XRD图谱。图3为g-C3N4/TiO2(1:1)，g-C3N4/TiO2(3:2)的FESEM照片。图4为g-C3N4/TiO2(1:1)，g-C3N4/TiO2(3:2)的TEM照片。图5为不同比例的g-C3N4/TiO2的N2吸附/脱附等温线。图6为不同比例的g-C3N4/TiO2降解RhB溶液的活性。具体实施方式针对现有TiO2光催化剂光利用率低、量子效率低的关键科学问题。我们拟在纳米、微米尺度控制催化剂的结构形貌，制备具有高光捕获特性和高量子效率的复合材料，即多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2。通过化学气相沉积法在蛋壳结构TiO2表面负载小尺寸g-C3N4纳米片，形成2D/2D二维平面构型的异质结具有更多接触面积，有效提高对污染物的催化降解效率。本专利技术提供了一种多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料及其制备方法。采用醇热法制备由TiO2纳米片紧密交错堆积形成的蛋壳结构TiO2，通过化学气相沉积法在TiO2纳米片表面沉积小尺寸片状g-C3N4，制备具有2D-2D二维平面构型的g-C3N4/TiO2复合材料。通过调节叔丁醇、乙二醇的比例可以控制TiO2纳米材料的形貌，调节二氰二胺的用量可以制备不同g-C3N4负载量的复合材料。该复合材料在模拟液相污染物降解实验中，材料的蛋壳结构具有对光的多次反射作用，可提高光的利用率；形成2D/2D二维平面构型的异质结拥有更多接触面积，提高光生载流子的分离效率，制备的材料表现出良好的降解有机染料活性。因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多级蛋壳结构g‑C3N4/TiO2复合材料，所述复合材料为厚度为2～5nm的片状g‑C3N4沉积蛋壳结构TiO2的表面，该复合材料采用以下制备步骤：(1)、将一定比例的叔丁醇加入到乙二醇中，搅拌混合均匀；所述叔丁醇与乙二醇的体积比为1:5～5:1；(2)、在40～60℃恒温条件下，缓慢地加入TiF4粉末，搅拌至混合均匀；混合后TiF4的浓度为0.01‑0.04M；(3)、将混合溶液转移到反应釜中进行醇热反应，在140～160℃条件下处理2天以上；所得样品取出后离心、洗涤、烘干，得到蛋壳结构TiO2；(4)、将一定量的二氰二胺加入到氧化铝坩埚中，再在坩埚内水平放置一片玻璃片，将蛋壳结构TiO2加入到玻璃上；所述二氰二胺的加入量与TiO2的质量比为1:5～5:1；密闭条件下，在马弗炉中高温焙烧，制备得到所述多级蛋壳结构g‑C3N4/TiO2复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料，所述复合材料为厚度为2～5nm的片状g-C3N4沉积蛋壳结构TiO2的表面，该复合材料采用以下制备步骤：(1)、将一定比例的叔丁醇加入到乙二醇中，搅拌混合均匀；所述叔丁醇与乙二醇的体积比为1:5～5:1；(2)、在40～60℃恒温条件下，缓慢地加入TiF4粉末，搅拌至混合均匀；混合后TiF4的浓度为0.01-0.04M；(3)、将混合溶液转移到反应釜中进行醇热反应，在140～160℃条件下处理2天以上；所得样品取出后离心、洗涤、烘干，得到蛋壳结构TiO2；(4)、将一定量的二氰二胺加入到氧化铝坩埚中，再在坩埚内水平放置一片玻璃片，将蛋壳结构TiO2加入到玻璃上；所述二氰二胺的加入量与TiO2的质量比为1:5～5:1；密闭条件下，在马弗炉中高温焙烧，制备得到所述多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料。2.根据权利要求1所述多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料，其特征在于，步骤(4)中所述二氰二胺的加入量与TiO2的质量比为1:4、1:2、3:4、4:5、1:1、5:4或3:2。3.根据权利要求1所述多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料，其特征在于，所述玻璃片为固定大小的2cm*2cm玻璃片。4.根据权利要求1所述多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料，其特征在于，沉积的g-C3N4纳米片尺寸为2.4nm。5.一种多级蛋壳结构g-C3N4/TiO2复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)、将一定比例的叔丁醇加入到乙二醇中，搅拌混合均匀；所述叔丁醇与乙二醇的体积比为1:5...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建，谢作甜，何结红，吕品，韩冲冲，李和兴，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31