一种g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂及其制备方法与应用。该复合光催化剂中的氮化碳为石墨相氮化碳，而铋系氧化物为Bi2O2CO3、BiOBr、BiOCl、Bi2WO6、BiVO4、BiOI中的一种以上。本发明专利技术所得复合催化剂组份间具有紧密的接触，从而更有利于光生电子-空穴对的分离，光催化效率也随之得到改善。该复合催化剂在太阳光照射下，对以甲基橙为代表的有机污染物具有良好的降解效率。本发明专利技术的制备方法具有工艺简单、操作简便、原料廉价的特点，所制备的复合催化剂能够广泛应用在废水治理、大气净化等方面，并且该制备方法也为设计新型的可见光复合光催化剂提供了新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂及其制备方法与应用
本专利技术属于功能材料
，具体涉及一种g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
以半导体光催化技术处理环境中的有机或无机污染物是一种很有前景的环境修复技术。这项技术的成功主要取决于具有可见光响应的半导体光催化剂的发展。目前，石墨相的非金属半导体g-C3N4由于其优越的可见光响应性能而引起人们的广泛关注。g-C3N4的禁带宽度约为2.7eV，主要由一些廉价易得的前驱物（如尿素、三聚氰胺等）通过简单的热缩聚反应制得。然而纯的g-C3N4由于其量子产率不高而表现出较低的光催化活性。构建异质结构的复合半导体可以有效抑制光生载流子的复合，从而改善半导体的光催化活性，是一种有效的半导体光催化剂改性方法。近年来，g-C3N4/TiO2、g-C3N4/Co3O4等异质结构的复合半导体相继出现，有效改善了半导体的可见光催化活性。铋系氧化物由于其独特的层状结构、可控的微观形貌以及良好的紫外或可见光催化活性而被广泛研究应用。Bi2O3作为铋系氧化物中最基本的单元氧化物，其能够衍生出各种不同的铋系氧化物，如Bi2O2CO3、BiOBr、BiOCl、Bi2WO6、BiVO4等。本专利技术主要以Bi2O3为铋源来构建g-C3N4和铋系氧化物的异质结构，旨在改善单一催化剂光催化活性不高的缺点。目前，构建异质结构的方法主要是通过将其中一种已制备好的单体加入另一种单体的前驱物中，随后形成复合材料。而本专利技术通过将两种单体的前驱物直接混合，通过简单的热处理即生成复合材料，并且只需改变g-C3N4的前驱物即可制备不同的复合材料，这为制备g-C3N4基复合材料的制备提供了新的思路。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂及其制备方法与应用。本专利技术采用原位制备技术，通过直接煅烧Bi2O3和不同的g-C3N4前驱体制备g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂。所制得的复合光催化剂具有良好的可见光光催化活性，且稳定耐光腐蚀。本专利技术目的通过以下技术方案来实现：一种g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂，所述复合光催化剂主要是由g-C3N4和铋系氧化物组成的二元光催化剂，由于这种特殊的原位制备手段使得铋系氧化物从g-C3N4体相内生长出来，因而复合催化剂中两种物质间的接触更为紧密，复合催化剂中g-C3N4的质量比为40wt%-80wt%。一种g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）制备Bi2O3粉体：将10～13gBi(NO3)3·5H2O溶于30～40mlHNO3水溶液中，室温下搅拌溶解，随后逐滴加入NaOH溶液直至溶液的pH=11～13，将黄色悬浮液移入80～100℃水浴锅中搅拌1.5～2.5h后以去离子水洗涤至中性，将黄色沉淀于80～100℃烘干后置于马弗炉中300～400℃煅烧2～4h即得Bi2O3粉体；所述HNO3水溶液的浓度为1～1.5mol/L；所述NaOH溶液的浓度为10～12mol/L；（2）g-C3N4/铋系氧化物复合光催化剂的制备：将步骤（1）中所述的Bi2O3粉体与g-C3N4前驱物混合，随后将混合物移入半封闭的氧化铝坩埚中，置于马弗炉中通空气煅烧得到g-C3N4/铋系氧化物复合光催化剂。上述方法中，步骤（1）所述搅拌的温度为25～35℃，搅拌速率为15～25r/min。上述方法中，步骤（2）所述g-C3N4前驱物为三聚氰胺、盐酸胍、尿素、硫脲、二氰二胺中的一种以上。上述方法中，步骤（2）所述的煅烧温度为500～650℃，煅烧时间为2～3h，升温速率为3～10℃/min。上述方法中，步骤（2）所述g-C3N4/铋系氧化物复合光催化剂中g-C3N4的质量比为40wt%-80wt%。一种g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂，催化剂中的氮化碳为石墨相氮化碳，而铋系氧化物为Bi2O2CO3、BiOBr、BiOCl、Bi2WO6、BiVO4、BiOI中的一种以上。一种g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂能够广泛应用在废水治理。所述废水治理中的废水为甲基橙染料废水。本专利技术与现有技术中的g-C3N4基复合光催化剂的制备方法（在制备好的g-C3N4上附着其它半导体）存在本质上的区别，本专利技术采用将Bi2O3和不同g-C3N4的前驱物混合热处理的方法，利用Bi2O3能够在特定环境下转变成不同铋系氧化物的特点，制备了不同的g-C3N4/铋系氧化物复合光催化剂。这种原位制得的复合光催化剂中组分间的接触很紧密，从而更有利于界面间的电荷转移，抑制了光生载流子的复合，改善了光催化活性。与现有技术相比，本专利技术具有如下优势：本专利技术的制备方法具有工艺简单、操作简便、原料廉价的特点，只需通过将两中单体的前驱物直接混合，通过简单的热处理即生成复合材料，并且只需改变g-C3N4的前驱物即可制备不同的复合材料。所制备的复合催化剂在可见光下（1mw/cm2）表现出良好的光催化活性，该催化剂能够广泛应用在废水治理、大气净化等方面。附图说明图1是本专利技术纯g-C3N4、纯Bi2O3、纯Bi2O2CO3、g-C3N4/Bi2O2CO3复合光催化剂的XRD图；图2是本专利技术纯g-C3N4、纯Bi2O3、纯BiOCl、g-C3N4/BiOCl复合光催化剂的XRD图；图3a是纯g-C3N4复合光催化剂的场发射扫描电镜图FE-SEM；图3b是g-C3N4/Bi2O2CO3复合光催化剂的场发射扫描电镜图FE-SEM；图4是本专利技术纯g-C3N4、纯Bi2O3、纯Bi2O2CO3、g-C3N4/Bi2O2CO3复合光催化剂对甲基橙的可见光催化效果图；图5是本专利技术纯g-C3N4、纯Bi2O3、纯BiOCl、g-C3N4/BiOCl复合光催化剂对甲基橙的可见光催化效果图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步地具体详细描述，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1Bi2O3粉体的制备：将10gBi(NO3)3·5H2O溶于30mlHNO3水溶液（1mol/L）中，室温下搅拌溶解，随后逐滴加入NaOH溶液（10mol/L）直至溶液的pH=11，将黄色悬浮液移入80℃水浴锅中搅拌1.5h后以去离子水洗涤至中性，将黄色沉淀于80℃烘干后置于马弗炉中300℃煅烧3h即得Bi2O3粉体。实施例2g-C3N4光催化剂的制备。称取5g三聚氰胺置于半封闭的氧化铝坩埚中，移入马弗炉后在550℃下煅烧3h，升温速率为3℃/min，自然冷却至室温后研磨即得g-C3N4粉体。实施例3g-C3N4/Bi2O2CO3复合光催化剂的制备。称取5.0g三聚氰胺和1.3g实施例1中所得的Bi2O3粉末，混合后置于半封闭的氧化铝坩埚中，移入马弗炉后在550℃下煅烧2h，升温速率为3℃/min，冷却至室温后研磨即得g-C3N4/Bi2O2CO3复合光催化剂，其中g-C3N4在复合催化剂中的质量比为60wt%。不同光催化剂的XRD图（图1）表明Bi2O3成功转变为Bi2O2CO3。此外，从扫描电镜图（图3a和图3b）中可以看出Bi2O2CO3从g-C3N4体相内生长出来，两者紧密接触。实施例4g-C3N4/Bi本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种g‑C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制备Bi2O3粉体：将10～13 g Bi(NO3)3·5H2O溶于30～40 ml HNO3水溶液中，室温下搅拌溶解，随后逐滴加入NaOH溶液直至溶液的pH=11～13，将黄色悬浮液移入80～100 ℃水浴锅中搅拌1.5～2.5 h后以去离子水洗涤至中性，将黄色沉淀于80～100 ℃烘干后置于马弗炉中300～400 ℃煅烧2～4 h即得Bi2O3粉体；所述HNO3水溶液的浓度为1～1.5 mol/L；所述NaOH溶液的浓度为10～12 mol/L；（2）g‑C3N4/铋系氧化物复合光催化剂的制备：将步骤（1）中所述的Bi2O3粉体与g‑C3N4前驱物混合，随后将混合物移入半封闭的氧化铝坩埚中，置于马弗炉中通空气煅烧得到g‑C3N4/铋系氧化物复合光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制备Bi2O3粉体：将10～13gBi(NO3)3·5H2O溶于30～40mlHNO3水溶液中，搅拌溶解，随后逐滴加入NaOH溶液直至溶液的pH=11～13，将黄色悬浮液移入80～100℃水浴锅中搅拌1.5～2.5h后以去离子水洗涤至中性，将黄色沉淀于80～100℃烘干后置于马弗炉中300～400℃煅烧2～4h即得Bi2O3粉体；所述HNO3水溶液的浓度为1～1.5mol/L；所述NaOH溶液的浓度为10～12mol/L；所述搅拌溶解的温度为25～35℃；（2）g-C3N4/铋系氧化物复合光催化剂的制备：将步骤（1）中所述的Bi2O3粉体与g-C3N4前驱物混合，随后将混合物移入半封闭的氧化铝坩埚中，置于马弗炉中通空气煅烧得到g-C3N4/铋系氧化物复合光催化剂。2.根据权利要求1所述的g-C3N4/铋系氧化物复合可见光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述搅拌溶解...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡芸，单文杰，韦朝海，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44