本发明专利技术公开了一种层间双金属离子掺杂的石墨相氮化碳光催化材料及其制备方法和在光催化降解气相有机污染物中的应用；制备时以碳氮源、氯化钾和第二、三主族或第四周期副族金属盐为原料，通过在马弗炉中400～600℃处理一定时间，对产物进行水洗抽滤分离，获得钾离子和第二、三主族或第四周期副族金属离子其中一种在层间双掺杂的石墨相氮化碳光催化材料。本发明专利技术的合成工艺简单，成本低廉，光催化效率高，尤其在降解气相有机污染物方面具有优异的光催化性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种层状光催化材料的制备和应用，特别涉及到一种层间双金属离子 掺杂的氮化碳光催化材料的制备和在光催化降解气相有机物中的应用。
技术介绍
随着能源危机和环境污染问题日益严重，新能源技术及新环境净化技术倍受关 注。光催化技术作为一种绿色技术，其研究近年来取得了很大进展。光催化反应不仅可以 分解水产生清洁的氢能源，在光降解环境污染方面也显示出巨大潜力。光催化净化技术具 有二次污染小，运行成本低，利用太阳光能提供反应驱动力等优点，在废水净化处理和空气 净化方面均有广阔的应用前景。 近年来，半导体聚合物石墨相氮化碳（g_C3N4)在光催化领域引起人们的广泛关 注。其本身无毒、无金属元素、廉价、稳定、制备条件简单温和，重要的是此类材料能够实现 可见光照射下的光催化活性（半导体带隙2. 7eV)，与只能在紫外光照射下表现活性的传 统光催化材料相比优势明显，广泛应用于太阳能的光催化转化，如光解水、液相有机污染物 降解、CO2光还原方面。然而将g-C 3N4作为光催化材料还存在一些主要问题，如产生光生载 流子的激子结合能高、光生电子-空穴复合严重、量子效率低，为了克服这些客观存在的难 题，国内外科研工作者开展了大量的研究工作。 目前，对于石墨相氮化碳一种的重要的改性手段是掺杂，主要包括金属掺杂，非金 属掺杂，分子掺杂等。金瑞瑞等人在物理化学学报（2014年30期1706-1712页）报道以硝 酸铁和三聚氰胺为原料制备铁掺杂石墨相氮化碳。蒋青等人在ChemSusChem杂志（2014年 第7期第2654-2658页）报道碱金属钾改性的氮化碳。但是，以上二者都只局限于单一金 属元素的掺杂改性，且都未涉及到光催化降解气相污染物方面的应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种层间双金属离子掺杂的石墨相氮化碳光催化材料及其制备方法 和应用，解决现有技术中石墨相氮化碳作为光催化材料产生光生载流子的激子结合能高、 光生电子-空穴复合严重、量子效率低的问题。（本说明书中所述"氮化碳"即是指"石墨 相氮化碳"） 为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是： -种层间双金属离子掺杂的氮化碳光催化材料，其组分如下： (1)主要成分为具有层状结构的石墨相氮化碳； (2)层间掺杂的第一种离子为钾离子，掺杂的摩尔百分比为3-15% ; (3)层间掺杂的第二种离子为第二、三主族或第四周期副族金属离子的一种，如 二价镁离子、二价钙离子、二价锶离子、二价钡离子、三价铝离子、三价镓离子、三价铬离 子、三价铁离子、二价锰离子、二价钴离子、二价锌离子的其中一种，掺杂的摩尔百分比为 0· 1-4. 0%〇 -种层间双金属离子掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，以碳氮源、氯化钾以 及第二、三主族或第四周期副族金属元素的盐类为原料，一步法直接制得层间双金属离子 掺杂的氮化碳。 上述制备方法包括如下步骤： (1)将碳氮源分散在乙醇中，再按照掺杂量将第二、三主族或第四周期副族金属盐 的其中一种的乙醇溶液加入，将上述悬浊液蒸干，然后将所得产品与氯化钾混合并研磨直 至均匀； (2)将步骤（1)中的混合物置于坩埚中并用铝箱纸封闭，置于马弗炉中在400~ 600°C下处理1~4小时； (3)将步骤（2)中产物研磨充分后溶于去离子水中，搅拌并对所得悬浊液抽滤，回 收滤液中的氯化钾并将产物置于烘箱中干燥，然后研磨得到最终产物。 所述步骤⑴中的碳氮源为单氰胺、二聚氰胺、三聚氰胺、氰尿酸、硫脲、或尿素中 的一种。所述步骤（1)中的第二、三主族或第四周期副族金属元素的盐类为二价镁盐、二价 钙盐、二价锶盐、二价钡盐、三价铝盐、三价镓盐、三价铬盐、三价铁盐、二价锰盐、二价钴盐、 二价锌盐的其中一种。所述步骤（1)中碳氮源与氯化钾的质量比在0.02-5范围内，第二、 三主族或第四周期副族金属元素盐类的质量为碳氮源质量的〇. 2-5%。 所述步骤（2)置于马弗炉中550°C热处理4小时。 -种层间双金属离子掺杂的氮化碳光催化材料在降解醇、醛、酸、酮及芳香族化合 物气相有机污染物中的应用。 本专利技术的有益效果是： 1.双金属离子掺杂金属元素的多功能性。本专利技术中碱金属钾离子起到了开环作 用，实现在层间构建光生载流子的传输通道，同时原位引入表面羟基，增强光催化反应活 性；碱金属钾离子及第二、三主族或第四周期副族金属离子的双掺杂，增加了层间的光生载 流子的传导能力，也减小了氮化碳颗粒的尺寸，利于光生载流子迀移至材料表面，从而提高 光生载流子的利用效率；此外，双金属离子掺杂提高了对可见光的吸收强度，产生更多的光 生载流子，也起到提升光催化材料的反应活性的作用。 2.光降解性能的高效性。本专利技术公开的层间双金属离子掺杂的氮化碳光催化材料 具有较高的比表面积，有利于气相有机污染物在材料上的吸附与反应。除了较高的比表面 积外，表面羟基可增强对气相有机污染物的吸附，还可能活化成羟基自由基，利于气相有机 物的矿化，第二、三主族或第四周期副族金属离子的掺杂也为光降解提供了决定性动力，双 金属离子的掺杂利于光生载流子的高效分离，从而提高光生电子的利用效率，相比未掺杂 的氮化碳，各种层间双掺杂材料的光催化效率至少提升40倍。 3.合成工艺简单，成本低廉。本专利技术使用的原料成本较低且无特殊设备要求，制备 过程中使用较大量的氯化物盐可以进行回收再利用，且通过一步法实现了碱金属钾离子及 第二、三主族或第四周期副族金属离子双掺杂，由此可见，与现有方法比，简单易行、高效环 保。 综上所述，本专利技术是关于一种层间双金属离子掺杂的氮化碳光催化材料及其制备 方法的创新。本方法通过钾离子在层间构建载流子传输通道，再利用二价或三价离子进一 步提升传导能力，制备的氮化碳实现了碱金属钾离子第二、三主族或第四周期副族金属离 子的双掺杂，极大地提高了光催化降解气相有机物的活性。本方法合成工艺简单，一步制 备出碱金属钾离子与第二、三主族或第四周期副族金属离子双掺杂的氮化碳，是一种简单 易行、环境友好、成本低廉、适合大规模工业化生产层间双金属离子掺杂的氮化碳的制备方 法。原料效能高，产品具有优异的光催化降解气相有机污染物的性能，具有向规模化工业生 产的巨大潜力。【附图说明】 图Ia :未掺杂石墨相氮化碳的载流子传导方向； 图Ib :层间双金属离子掺杂的石墨相氮化碳的载流子传导方向； 图2 :实施例1、2中制备的层间双金属离子掺杂的氮化碳的X射线衍射（XRD)谱 图； 图3 :实施例1中制备的层间双金属离子掺杂的氮化碳的扫描电子显微镜（SEM) 图； 图4 :实施例1中制备的层间双金属离子掺杂的氮化碳的扫描电子显微镜（TEM) 图。【具体实施方式】 下面通过实施例并结合附图对本专利技术作进一步详细说明。 如附图1所示，石墨相氮化碳为层状结构，光生载流子沿二维平面方向传递，表面 的反应活性位位于垂直上下两个二维平面的侧面，在比表面积中所占比重较小。如果能在 石墨相氮化碳的层间进行离子掺杂，实现光生载流子在垂直二维平面方向上也可进行传 递，即在材料内部实现光生载流子的三维方向传导，就可充分利用在比表面积中所占比重 较大的上下两个二维平面，扩大反应活性位的分布，从而提升光催化活性。 实施例1 层间双金属离子掺杂的氮化碳的制备：将I. 5g三聚氰本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种层间双金属离子掺杂的氮化碳光催化材料，其特征在于，由以下组分组成：具有层状结构的石墨相氮化碳；层间掺杂的第一种离子为钾离子，掺杂的摩尔百分比为3‑15％；层间掺杂的第二种离子为第二、三主族或第四周期副族金属离子的一种，掺杂的摩尔百分比为0.1‑4.0％。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：侯葳舒，李云祥，欧阳述昕，赵恺丰，徐天宇，徐欣，孙欢，叶金花，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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