一种多孔分子掺杂氮化碳光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于光催化材料制备技术领域，具体涉及一种多孔分子掺杂氮化碳光催化剂及其制备方法与应用。该方法将氮化碳前驱体和二氨基吡啶反应制备混合前驱体，然后用HNO3溶液对混合前驱体进行氧化腐蚀，最后高温煅烧即可获得所述的光催化剂。其中，前驱体中二氨基吡啶的加入，以及对混合前驱体采用HNO3溶液进行氧化腐蚀可显著增加光催化剂的比表面积，使获得的光催化剂比表面积高达28.6～58.6m

A Porous Molecular Doped Carbon Nitride Photocatalyst and Its Preparation and Application

The invention belongs to the technical field of photocatalytic material preparation, in particular to a porous molecular doped carbon nitride photocatalyst and its preparation method and application. In this method, the carbon nitride precursor and diaminopyridine were reacted to prepare the mixed precursor. Then the mixed precursor was oxidized and corroded by HNO 3 solution. Finally, the photocatalyst was obtained by calcination at high temperature. Among them, the addition of diaminopyridine in the precursor and the oxidation corrosion of the mixed precursor in HNO_3 solution can significantly increase the specific surface area of the photocatalyst, making the specific surface area of the photocatalyst as high as 28.6-58.6m.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔分子掺杂氮化碳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制备
，具体涉及一种多孔分子掺杂氮化碳光催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
随着现代工业的发展，能源资源逐渐减少乃至枯竭，环境污染日益严重。能源短缺和环境恶化是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题。因此，开发利用可再生新能源和控制治理环境污染对发展国民经济、实现可持续发展战略具有重大的意义。半导体光催化这一新领域为人类开发利用太阳能开辟了崭新的途径。然而，传统TiO2基无机半导体光催化剂存在太阳能利用率低、光量子效率低和易失活的弊端，严重地制约了光催化技术的实际推广应用。因此，开发新型高效光催化剂和拓宽光催化剂的光响应范围，成为当前光催化领域的研究热点。石墨相氮化碳(g-C3N4)具有良好的化学惰性、热稳定性以及生物兼容性等，有可能在各种材料科学应用中替代石墨碳材料。g-C3N4是一种有机半导体材料，禁带宽度约2.7eV，具有合适的导带价带位置，在光催化领域有着诱人的应用前景。目前g-C3N4光催化剂的制备方法是高温煅烧热缩聚法，即将三聚氰胺、单氰胺、二氰二胺、三聚氰氯、尿素等前驱体加热至500～600℃，使其发生缩聚反应而得到产物。但由该方法得到的g-C3N4比表面积小，因此光催化性能往往不理想。
技术实现思路
为了克服氮化碳在现有技术上存在的比表面积小，可见光利用率较低等不足，本专利技术的首要目的在于提供一种比表面积更高，活性更强并对苯酚污水具有优越光催化活性的多孔分子掺杂氮化碳光催化剂的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供由上述制备方法得到的多孔分子掺杂氮化碳光催化剂。本专利技术的再一目的在于提供上述多孔分子掺杂氮化碳光催化剂的应用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种多孔分子掺杂氮化碳光催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)前驱体的制备将氮化碳前驱体和二氨基吡啶(DPY)加入水中，加热搅拌，使两者溶解，得到澄清的溶液，对溶液进行干燥，得到混合前驱体；(2)混合前驱体的酸处理向混合前驱体中加入HNO3溶液，得到混合溶液，反应使混合前驱体溶解，干燥，得到酸处理的前驱体；(3)煅烧对酸处理的前驱体进行高温煅烧，即得到所述的多孔分子掺杂氮化碳光催化剂(P-DCN)。优选的，步骤(1)所述的氮化碳前驱体为二氰二胺(DCDA)、三聚氰胺、单氰胺或尿素。优选的，步骤(1)所述的溶液中的氮化碳前驱体与二氨基吡啶的质量比为3:0.01～3:0.1。优选的，步骤(1)所述的溶液中，氮化碳前驱体与二氨基吡啶的质量之和与水的质量比为1:3～1:10。优选的，步骤(1)所述的加热的温度为80～100℃。优选的，步骤(1)所述的搅拌的时长为0.5～2小时。优选的，步骤(1)和步骤(2)中所述的干燥的方法为用电热板或者恒温箱烘干。优选的，步骤(1)和步骤(2)中所述的干燥的温度为100℃。优选的，步骤(2)中所述的HNO3溶液的浓度为0.6M。优选的，步骤(2)中所述的混合溶液中，混合前驱体与HNO3溶液的固液比为1:50～1:200g/mL。优选的，步骤(3)中所述的高温煅烧的升温速率为2.3～10℃/min。优选的，步骤(3)中所述的高温煅烧的温度为400～650℃。优选的，步骤(3)中所述的高温煅烧的时长为2～6小时。本专利技术进一步提供由上述制备方法得到的多孔分子掺杂氮化碳光催化剂。本专利技术进一步提供上述多孔分子掺杂氮化碳光催化剂的应用，将所述光催化剂用于光催化降解苯酚。本专利技术中多孔分子掺杂氮化碳光催化剂的制备原理为：本专利技术首先将二氰二胺(DCDA)与2，6-二氨基吡啶(DPY)反应制备成前驱体，再使用HNO3溶液对前驱体进行氧化腐蚀，最后通过高温煅烧进行缩聚反应来制备得到多孔状、高催化活性的多孔分子掺杂氮化碳。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：(1)本专利技术将氮化碳前驱体和二氨基吡啶反应制备混合前驱体，然后用HNO3溶液对混合前驱体进行氧化腐蚀，最后高温煅烧即可获得所述的光催化剂。其中，前驱体中二氨基吡啶的加入，以及对混合前驱体采用HNO3溶液进行氧化腐蚀可显著增加光催化剂的比表面积，制备得到的多孔分子掺杂氮化碳光催化剂的比表面积高达28.6～58.6m2/g，孔体积高达0.28～0.34cm3/g。其可提供更多的反应位点，使其在可见光的照射下对有机污染物具有较强的光催化降解能力。(2)本专利技术制备的多孔分子掺杂氮化碳的方法为无模板法，操作步骤简单，催化剂活性高。(3)将本专利技术制备得到的多孔分子掺杂氮化碳光催化剂用于光催化降解苯酚，4小时后的降解率高达60％。附图说明图1是实施例1制得的P-DCN3的C元素的XPS光谱图。图2是实施例1制得的P-DCN3的O元素的XPS光谱图。图3是实施例1制得的P-DCN3的N元素的XPS光谱图。图4是实施例1制备的DCN、P-DCN3的X射线衍射图(XRD)。图5是实施例1制得的DCN、P-DCN3的红外光谱图(IR)。图6是实施例1制得的DCN、P-DCN3的SEM及TEM图，其中图6中的图A为DCN的SEM图，图6中的图B为P-PCN3的SEM图，图6中的图C为DCN的TEM图，图6中的图D为P-PCN3的TEM图。图7是实施例1制得的DCN、P-DCN3对苯酚的降解效果对比图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步的详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。实施例1本实施例提供一种多孔分子掺杂氮化碳光催化剂P-DCN3及其制备方法。多孔分子掺杂氮化碳光催化剂P-DCN3的制备方法如下：(1)将3gDCDA与0.07gDPY置于锥形瓶中，加入9.21mL水，加热至80℃，在500rpm下磁力搅拌至溶液澄清透明，转移到培养皿中，置于100℃恒温干燥箱中干燥5h，得到混合前驱体。(2)将混合前驱体研磨成粉，称取1g置于烧杯中，加入50mL浓度为0.6M的HNO3溶液，置于100℃干燥箱中干燥5h，得到酸处理的前驱体。(3)将酸处理的前驱体置于在马弗炉中煅烧，煅烧温度为550℃，保温时间为4小时，升温速率为10℃/min；自然冷却后研磨成粉，得到多孔分子掺杂氮化碳光催化剂P-DCN3。所得光催化剂P-DCN3的比表面积为58.6m2/g，孔体积为0.28cm3/g。实施例2本实施例作为实施例1的对照例，提供一种未进行酸处理的多孔分子掺杂氮化碳光催化剂DCN及其制备方法。DCN的制备方法如下：(1)将3gDCDA与0.07gDPY置于锥形瓶中，加入9.21mL水，加热至80℃，在500rpm下磁力搅拌至溶液澄清透明，转移到培养皿中，置于100℃恒温干燥箱中干燥5h，得到混合前驱体。(2)将混合前驱体研磨成粉，在马弗炉中煅烧，煅烧温度为550℃，保温时间为4小时，升温速率为10℃/min；自然冷却后研磨成粉，得到分子掺杂氮化碳光催化剂DCN。所得光催化剂DCN的比表面积为18.8m2/g，孔体积为0.018cm3/g。对实施例1制备的P-DCN3和本实施例制备的DCN光催化剂进行结构性能表征，结果如图1～6所示。图1～3所示分别是P-DCN3的C、N、O的XPS图，从图中看到C、O、N的键能及价态与氮化碳一致。图4所示是DCN、P-DCN3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔分子掺杂氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)前驱体的制备将氮化碳前驱体和二氨基吡啶(DPY)加入水中，加热搅拌，使两者溶解，得到澄清的溶液，对溶液进行干燥，得到混合前驱体；(2)前驱体的酸处理向混合前驱体中加入HNO3溶液，得到混合溶液，反应使混合前驱体溶解，干燥，得到酸处理的前驱体；(3)煅烧对酸处理的前驱体进行高温煅烧，即得到所述的多孔分子掺杂氮化碳光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种多孔分子掺杂氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)前驱体的制备将氮化碳前驱体和二氨基吡啶(DPY)加入水中，加热搅拌，使两者溶解，得到澄清的溶液，对溶液进行干燥，得到混合前驱体；(2)前驱体的酸处理向混合前驱体中加入HNO3溶液，得到混合溶液，反应使混合前驱体溶解，干燥，得到酸处理的前驱体；(3)煅烧对酸处理的前驱体进行高温煅烧，即得到所述的多孔分子掺杂氮化碳光催化剂。2.根据权利要求1所述的多孔分子掺杂氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的溶液中的氮化碳前驱体与二氨基吡啶的质量比为3:0.01～3:0.1；所述的溶液中，氮化碳前驱体与二氨基吡啶的质量之和与水的质量比为1:3～1:10。3.根据权利要求1所述的多孔分子掺杂氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的加热的温度为80～100℃。4.根据权利要求1所述的多孔分子掺杂氮化碳光催...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志鸿，吕海钦，孟庆国，苑明哲，
申请(专利权)人：广州中国科学院沈阳自动化研究所分所，中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44