本发明专利技术公开了一种小尺寸氮掺杂石墨烯光催化剂及其制备方法和应用。先把氧化石墨超声分散获得氧化石墨烯溶液，然后加入氢氧化钠和水合肼，混合搅拌均匀，水热反应合成小尺寸的氮掺杂石墨烯光催化剂；在可见光光照下，该光催化材料对有机污染物表现出较好的降解活性；并且制备方法简单易行，制备催化剂的成本低，因此在解决环境污染和能源短缺问题具有广阔的实用价值和应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光催化材料制备、光催化技术和水污染治理领域，具体涉及一种小尺寸氮掺杂石墨烯光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
太阳能是大自然赐予人类的一个清洁能源宝库，人们对太阳能利用的探索研究可以追溯到20世纪六七十年代，此后，以半导体材料为基础的光催化技术进入了人们的视线，因其可直接利用太阳能为驱动力，随后半导体光催化技术受到了各国政府和科学技术工作者们广泛的关注，并且在世界范围内得到了蓬勃的发展。随着催化和材料科学的迅猛发展，光催化技术作为一项绿色技术，一方面着力于水、空气和土壤等环境污染治理的基础和应用研究；另一方面，也开展了光解水制氢和染料敏化太阳能电池方面的研究。同时，由于不产生二次污染、成本低、能耗少、反应条件温和、操作简易、可回收反复利用等优点，光催化技术有望成为解决人类社会能源危机和环境问题的一种理想途径。光催化材料的制备作为光催化技术发展的物质基础和关键，是光催化技术研究的核心重点。石墨烯基光催化剂自2009年报道以来在能源和环境方面得到了广泛的应用，例如光催化降解污染物，选择性有机转化，光催化还原CO2和光催化分解水制备氢等等，其中，石墨烯主要是作为一种助催化剂来提高半导体催化性能。最近研究表明，通过合理调节石墨烯的表面和电子特性，比如化学掺杂（氮掺杂），可以将石墨烯转化为n型半导体，并直接应用在光催化反应中。石墨烯合成方法简单，成本低并且化学稳定性好，通过对其电子特性进行调控直接制备具有半导体性质的石墨烯对新型催化剂的合成具有重大的意义。催化剂的尺寸是影响催化性能的一个重要因素。通常，小尺寸的催化剂拥有更大的比表面积和更宽的禁带宽度。另一方面，通过降低催化剂的尺寸可以有效缩短载流子转移的路径，提高载流子分离的效率。此外，降低催化剂尺寸可以弱化催化剂对光的漫反射能力，从而提高催化剂的光吸收性能。研究表明，改变石墨烯的尺寸能够明显的影响其电子和光学特性，进而影响其光催化性能。因此，我们尝试着对氮掺杂石墨烯进行尺寸的调控，来探索尺寸的变化对氮掺杂石墨烯特性及其光催化效率的改变。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有光催化活性好、制作成本低、生产工艺简单等特点的小尺寸的氮掺杂石墨烯光催化剂及其制备方法和应用，以探究氮掺杂石墨烯的尺寸与其光催化性能之间的构效关系，制备的小尺寸的氮掺杂石墨烯光催化剂用于可见光下光催化降解有机污染物。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种小尺寸氮掺杂石墨烯可见光光催化剂制备如上所述的小尺寸氮掺杂石墨烯光催化剂的方法包括以下步骤：（1）氧化石墨烯（GO）的制备：将P2O5和K2S2O8按1:1的质量比混合均匀，缓慢加入12 mL 98％浓H2SO4，加热到80 ℃，再加入石墨粉，恒温24 h；室温冷却，用水稀释后搅拌，然后静止；抽滤，得滤渣；所得滤渣干燥后溶于120 mL 98％浓H2SO4中，磁力搅拌下缓慢加入15 g KMnO4，并控制反应液的温度低于20 ℃，然后在35 ℃～40 ℃下搅拌反应2 h；边搅拌边缓慢加入250 mL水进行稀释并控制反应液的温度低于50 ℃；再加入1 L去离子水和20 mL 30％H2O2（逐滴加入），继续搅拌，放置过夜。过滤，滤渣用1:10盐酸:去离子水洗涤，离心分离，渗析洗涤，收集固体，干燥，然后最终获得的氧化石墨重新超声分散到去离子水里，获得氧化石墨烯溶液；（2）小尺寸氮掺杂石墨烯光催化剂的制备：将步骤（1）制得的氧化石墨烯（GO）、水合肼（N2H4·H2O）、氢氧化钠（NaOH）混合搅拌均匀，接着100 ℃水热12 h，而后冷却、渗析、过滤、洗涤、干燥得到小尺寸的石墨烯。步骤（1）中，氧化石墨烯水溶液的浓度为1 mg/mL。步骤（2）中，搅拌均匀后的反应液放入反应釜中，体积填充为80%；一种如上所述的小尺寸氮掺杂石墨烯光催化剂的应用：用于可见光光催化降解有机染料罗丹明B，所述的光催化剂在波长405 ± 15 nm的可见光下照射6 h，90%的罗丹明B都已经被降解掉。光催化降解有机污染物的具体步骤如下：将一定量的催化剂分散于一定浓度的罗丹明B溶液中，搅拌均匀，室温下搅拌待吸附平衡后，光照一定时间，然后离心，而后在紫外-可见分光光度计上测定不同光催化时间下的吸光度。本专利技术的显著优点在于：（1）本专利技术通过一步水热合成法成功制备了具有更小尺寸的氮掺杂石墨烯光催化剂。在这水热反应过程中，氧化石墨烯不仅转变成氮掺杂的石墨烯，而且在尺寸上也被裁剪的更小。由于尺寸减小，则更有利于光生载流子的转移和分离，降低电子-空穴复合率。（2）尺寸减小，比表面积增加，吸附能力增强，这些因素都有利于提高小尺寸的氮掺杂石墨烯在可见光下降解有机污染物的光催化活性。（3）制备的小尺寸的氮掺杂石墨烯催化剂成本低、制备的工艺简单，并且具有比较好的光催化效果，有望应用于工业废水、废气的光催化处理，对于解决日益严重的环境污染问题具有重要意义。附图说明图1-A是大尺寸的氮掺杂石墨烯（L-NGR）的原子力显微镜图。图1-B是小尺寸的氮掺杂石墨烯（S-NGR）的原子力显微镜图。图2-a是L-NGR和S-NGR的C1s的XPS图；图2-b是L-NGR和S-NGR的O1s的XPS图；图2-c是L-NGR和S-NGR的N1s的XPS图。图3是L-NGR和S-NGR的光催化降解有机染料罗丹明B图。具体实施方式本专利技术用下列实施例来进一步说明本专利技术的内容，但本专利技术的保护范围并不限于下列实施例。实施例1将P2O5和K2S2O8按1:1的质量比混合均匀，缓慢加入12 mL 98％浓H2SO4，加热到80 ℃，再加入石墨粉，恒温24 h；室温冷却，用水稀释后搅拌，然后静止；抽滤，得滤渣；所得滤渣干燥后溶于120 mL 98％浓H2SO4中，磁力搅拌下缓慢加入15 g KMnO4，并控制反应液的温度低于20 ℃，然后在35 ℃～40 ℃下搅拌反应2 h；边搅拌边缓慢加入250 mL水进行稀释并控制反应液的温度低于50 ℃；再加入1 L去离子水和20 mL 30％H2O2（逐滴加入），继续搅拌，放置过夜。过滤，滤渣用1:10盐酸:去离子水洗涤，离心分离，渗析洗涤，收集固体，干燥，然后最终获得氧化石墨重新超声分散到去离子水里，获得氧化石墨烯溶液；将20 mg NaOH分散在80 mL氧化石墨烯溶液(1 mg/mL)中，经混合搅拌1 h后，0.5 mL N2H4·H2O添加到以上溶液中，将溶液置于反应釜中100 ℃水热反应12 h，然后冷却、渗析、洗涤、干燥得到S-NGR催化剂，其中S-NGR催化剂的粒径为300 nm；取80 mL氧化石墨烯溶液，经混合搅拌1 h后，0.5 mL N2H4·H2O添加到以上溶液中，将溶液置于反应釜中100 ℃水热反应12 h，然后冷却、渗析、洗涤、干燥得到L-NGR催化剂，其中L-NGR催化剂的粒径为930 nm。实施例2将10 mg实施例1制得的催化剂（S-NGR催化剂为实验组，L-NGR催化剂为对照组）添加到5 ppm 60 mL的罗丹明B溶液中混合均匀，室温下搅拌待吸附平衡后，置于可见光(405 ± 15 nm)下光照6 h，之后对关闭氙灯光源，将所有的离心管中的样品离心分离，离心后所得到的上层清液进一步转移到石英比色皿中在紫外-本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种小尺寸氮掺杂石墨烯光催化剂的制备方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：（1）将氧化石墨溶于去离子水中超声分散，得到氧化石墨烯溶液；（2）将20 mg 氢氧化钠分散在80 mL氧化石墨烯溶液中，经混合搅拌1 h后，0.5 mL 水合肼添加到以上溶液中，将溶液置于反应釜中100 ℃水热反应12 h，反应结束后，待上述反应液冷却至室温；把反应液放入渗析袋中，渗析到离子浓度小于10 ppm；渗析完之后，抽滤，用去离子水洗涤，之后把样品干燥得到所述小尺寸氮掺杂石墨烯光催化剂。
【技术特征摘要】
1.一种小尺寸氮掺杂石墨烯光催化剂的制备方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：（1）将氧化石墨溶于去离子水中超声分散，得到氧化石墨烯溶液；（2）将20 mg 氢氧化钠分散在80 mL氧化石墨烯溶液中，经混合搅拌1 h后，0.5 mL 水合肼添加到以上溶液中，将溶液置于反应釜中100 ℃水热反应12 h，反应结束后，待上述反应液冷却至室温；把反应液放入渗析袋中，渗析到离子浓度小于10 ppm；渗析完之后，抽滤，用去离子水洗涤，之后把样品干燥得到所述小尺寸氮掺杂石墨烯光催化剂。2.根据权利要求1所述的小尺...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐艺军，杨美玲，张楠，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35
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