一种改性的g-C3N4基可见光光催化剂、其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种改性的g‑C3N4基可见光光催化剂、其制备方法和应用，其目的在于通过采用NaBH4还原的方法对g‑C3N4基进行改性，改变其带隙宽度和位置，从而增加其对可见光的响应范围，并通过改变其价带和导带位置，从而使其能光催化氧化水，还原水中溶解氧产过氧化氢，由此解决现有技术对g‑C3N4进行改性虽然能够改善其光催化性能但是成本高，且不能从根本上改变其可见光利用率低的技术问题。

A modified g C3N4 based visible light catalyst, its preparation method and Application

The invention discloses a modified g C3N4 based visible light catalyst, its preparation method and application, its purpose is by using the method of NaBH4 reduction of G C3N4 based was modified to change the band gap width and position, thereby increasing the scope of its response to visible light, and through change the position of the valence and conduction band, so it can photocatalytic oxidation of water and reduction of dissolved oxygen in water by hydrogen peroxide, so as to solve the existing technology of G C3N4 was modified while can improve the photocatalytic performance but the cost is high, and can not fundamentally change the visible light with low rate of technical problems.

【技术实现步骤摘要】
一种改性的g-C3N4基可见光光催化剂、其制备方法和应用
本专利技术涉及光催化材料领域，特别涉及对g-C3N4改性后的g-C3N4基光催化剂和制备方法。
技术介绍
自1989年加州大学的Liu和Cohen从理论上提出β-C3N4共价晶体以来，碳化氮化合物因此在光催化领域受到各国科学家的广泛关注，1989年A.Y.Liu和M.L.Cohen根据β-Si3N4的晶体结构，用C替换Si，在局域态密度近似下采用第一性赝势能带法从理论上预言了β-C3N4(即氮化碳)这种硬度可以和金刚石相媲美而且是在自然界中尚未发现的新的共价化合物。1996年，Teter和Hemley通过计算认为C3N4可能具有5种结构，即α相，β相，立方相、准立方相以及类石墨相，其中石墨相C3N4是常温下C3N4中最稳定的相，同时材料无毒，并且有可见光响应，因此被广泛应用于光催化中。除此之外C3N4制备简单、价格便宜、不含金属使其成为一种新型光催化剂。但g-C3N4(石墨相碳化氮)也存在着一些缺点，比如光生电子-空穴复合率高而导致的光量子效率低，氧化能力低以及光生空穴迁移率低等问题。同时g-C3N4带隙为2.7eV，虽然具有很好的可见光响应性，但是价带位于+1.4V(vs.Ag/AgCl,pH＝6.6)，难以氧化水，严重限制了g-C3N4的发展和应用。随着研究的深入，现在已经有很多学者采用了多种方法来对g-C3N4进行改性，如：与贵金属材料进行复合、与其他半导体复合等，虽然贵金属材料的加入使g-C3N4展现出较为良好的光催化性能，但同时也大大增加了催化剂的成本，限制了g-C3N4的应用，并且不能从根本上改变低的可见光利用率。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种改性的g-C3N4基可见光光催化剂、其制备方法和应用，其目的在于通过采用NaBH4还原的方法对g-C3N4基进行改性，改变其带隙宽度和位置，从而增加其对可见光的响应范围，并通过改变其价带和导带位置，从而使其能光催化氧化水，还原水中溶解氧产过氧化氢，由此解决现有技术对g-C3N4进行改性虽然能够改善其光催化性能但是成本高，且不能从根本上改变其可见光利用率低的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种改性的g-C3N4基可见光光催化剂，所述光催化剂的直接带隙宽度为2.4～2.7eV、间接带隙宽度为1.7～2.65eV。优选地，所述光催化剂能够直接吸收波长为550nm的可见光，并能够间接吸收整个可见光区域的可见光。优选地，所述光催化剂分子结构中包含C≡N，其红外光谱在2180cm-1的位置出现了C≡N的峰。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的改性的g-C3N4基可见光光催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)将物质A在400℃～500℃条件下烧制3～5个小时，水洗后得到前驱体g-C3N4；所述物质A在400℃～500℃聚合后能产生三均三嗪结构的g-C3N4；(2)将步骤(1)所得的前驱体g-C3N4与还原剂混合，在惰性气氛下还原，水洗后即可获得所述的改性的g-C3N4基可见光光催化剂。优选地，所述物质A为三聚氰胺或尿素。优选地，所述物质A为三聚氰胺。优选地，步骤(1)烧制三聚氰胺时升温速率控制在3～15℃/min。优选地，步骤(2)所述还原剂为NaBH4或KBH4。优选地，步骤(2)所述还原剂为NaBH4。优选地，步骤(2)所述前驱体g-C3N4与所述NaBH4混合的质量比为1:(2～6)。优选地，步骤(2)所述还原温度为300℃～400℃。优选地，步骤(2)所述还原温度为350℃～370℃。优选地，步骤(2)所述还原温度为370℃。优选地，步骤(2)所述还原时间为20min～40min。优选地，步骤(2)所述还原时间为20min～30min。优选地，步骤(2)所述还原时间为30min。优选地，步骤(2)所述水洗次数为2～5次。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的光催化剂的应用，应用于光催化产过氧化氢。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。(1)现有技术的g-C3N4是一种三均三嗪结构的催化剂，这种结构有利于内过氧键的形成，促进双电子还原的发生，因此对于还原氧气产过氧化氢有一定的特异性。但由于现有技术的g-C3N4价带氧化能力有限，不能氧化水，因此在反应体系为水的情况下，一般不能进行光催化产过氧化氢。本专利技术是通过NaBH4还原的方法，改变g-C3N4的带隙宽度和位置，一方面增加了催化剂对可见光响应范围，利于对可见光的吸收和利用，另外一方面改变了g-C3N4的价带和导带位置，使其能光催化氧化水，还原水中溶解氧产过氧化氢。(2)本专利技术在制备g-C3N4前驱体时，选择制备温度为400℃～500℃，优选450℃，而非目前普遍使用的550℃烧制的g-C3N4，不但大大提高了还原后产过氧化氢的能力，而且节省了制备过程中的成本。本专利技术中改性的g-C3N4基可见光光催化剂的制备不仅需要将g-C3N4前驱体进行还原，而且对g-C3N4前驱体的制备工艺也有要求，本专利技术中改性的g-C3N4可见光光催化剂性能优良，过氧化氢产量大，是前驱体烧制工艺和还原工艺两个步骤协同配合，共同起作用的结果。(3)本专利技术在制备g-C3N4可见光光催化剂时不掺入贵金属，同时使用的材料价格低廉，因此本专利技术中的g-C3N4光催化剂成本很低。另外本专利技术中的催化剂制备方法简单，耗时短，因此适用于实际生产和应用。(4)本专利技术在制备催化剂的过程中，通过还原改变了g-C3N4的结构。结构的改变有利于电子和空穴的分离，大大降低了电子和空穴重新复合的机率，一方面提高了对可见光的利用效率，另一方面提高了光催化中过氧化氢的产量。(5)本专利技术所制备的g-C3N4基光催化剂仍然是一种有机半导体，性质稳定，安全无毒，无重金属，因此可以广泛使用，同时催化剂的制备条件为370℃，在常温下非常稳定。(6)本专利技术中的g-C3N4基光催化剂的吸收带宽接近550nm，因此可以吸收可见光，直接利用太阳能进行光催化，在纯水的体系，催化产过氧化氢，实现了储能，这对于可持续发展具有重要意义。(7)过氧乙酸对于杀菌消毒有非常好的效果，但是由于过氧乙酸的易爆性，十分危险，不便于储存和运输，同时过氧化氢又易于分解，这些因素都限制了过氧乙酸的广泛应用，本专利技术可以实现以乙酸为反应体系光催化产过氧化氢，进而反应产生过氧乙酸，达到了现配现用的效果，因此本专利技术有非常广阔的应用前景。(8)本专利技术中的g-C3N4可见光光催化剂在实际应用时，可以先负载于多孔材料表面，再进行光催化，一方面可以很好的实现催化剂与反应体系的分离，另外一方面可以减少催化剂的流失，提高催化剂的重复利用率。附图说明图1为实施例1g-C3N4前驱体和实施例1还原改性的g-C3N4的UV-vis吸收光谱图；图2为实施例1g-C3N4前驱体和实施例1还原改性的还原g-C3N4的带隙图；图3为实施例1g-C3N4前驱体和实施例1还原改性的g-C3N4的光致发光光谱；图4为实施例1g-C3N4前驱体和实施例1还原改性的g-C3N4光照1h体系中过氧化氢产量比较；图5为实施例1g-C3N4前驱体和实施例1还原改性的g-C3N4的扫描电子显微镜图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改性的g‑C3N4基可见光光催化剂，其特征在于，所述光催化剂的直接带隙宽度为2.4～2.7eV、间接带隙宽度为1.7～2.65eV。

【技术特征摘要】
1.一种改性的g-C3N4基可见光光催化剂，其特征在于，所述光催化剂的直接带隙宽度为2.4～2.7eV、间接带隙宽度为1.7～2.65eV。2.如权利要求1所述的光催化剂，其特征在于，所述光催化剂能够直接吸收波长为550nm的可见光，并能够间接吸收整个可见光区域的可见光。3.如权利要求1或2所述的光催化剂，其特征在于，所述光催化剂分子结构中包含C≡N，其红外光谱在2180cm-1的位置具有C≡N的峰。4.如权利要求1～3任意一项所述的改性的g-C3N4基可见光光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将物质A在400℃～500℃条件下烧制3～5个小时，水洗后得到前驱体g-C3N4；所述物质A在400℃～500℃聚合后能产生三均三嗪结构的g-C3N4；所述物质A优选为三聚氰胺或尿素，进一步优选为三聚氰胺；(2)将步骤(1)所得的前驱体g-...

【专利技术属性】
技术研发人员：张延荣，朱泽东，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42