一种硫掺杂的g‑C3N4/TiO2异质结光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种硫掺杂的g‑C3N4/TiO2异质结光催化剂及其制备方法与应用，该催化剂的化学组成为硫掺杂的C3N4和TiO2纳米颗粒，催化剂的微观结构中包含有棒状和薄片层结构，棒状和薄片层结构表面分布有TiO2纳米颗粒。通过将三聚氰胺和三聚硫氰酸混合煅烧制备的S‑C3N4与通过钛酸正四丁酯溶剂热法制备的TiO2进行复合，制备出硫掺杂的C3N4/TiO2复合物。本发明专利技术所述制备方法工艺简单、成本低廉且环境友好，制得的光催化复合材料用于处理废水有很好的应用前景。

Sulfur doped g C3N4/TiO2 heterojunction photocatalyst and its preparation method and Application

The invention relates to a sulfur doped g C3N4/TiO2 heterojunction light catalyst and its preparation method and application. The chemical composition of the catalyst is C3N4 and TiO2 nanoparticles doped with sulfur. The microstructure of the catalyst contains a rod and thin lamellar structure, and the surface of the rod like and thin lamellar structure is distributed with TiO2 nanoparticles. A sulfur doped C3N4/TiO2 complex was prepared by compounding the S C3N4 prepared by the mixing of melamine and trimeric thiocyanic acid with TiO2 prepared by the thermal method of four butyl titanate. The preparation method has the advantages of simple process, low cost and environmental friendliness, and the prepared photocatalytic composite material has good application prospects for treating waste water.

【技术实现步骤摘要】
一种硫掺杂的g-C3N4/TiO2异质结光催化剂及其制备方法与应用
本专利技术属于纳米复合材料领域，具体公开了一种硫掺杂C3N4/TiO2纳米复合材料及其制备方法与应用。
技术介绍
当今社会，环境污染、能源短缺的问题越来越严重，光催化作为一种新兴的技术，因其具有原料来源广泛且完全降解污染物的优点，越来越多的被应用在产生新能源和环境污染物治理领域。TiO2作为一种最常见的光催化剂，因其无毒性，良好的化学稳定性，合适的能带位置和价格低廉等特性，被广泛的应用于污水处理中。然而由于TiO2禁带宽度较宽，只能在紫外光区域发生响应而且光生载流子复合率较高，严重的限制了TiO2的实际应用。近些年来，因氮化碳具有可见光响应，成本低，在强酸强碱中都很稳定，且容易制备等优点，使其在光催化领域得到了广泛的应用。将C3N4与TiO2复合制成异质结材料，一方面可以拓展TiO2在可见光区域的吸收，使TiO2具有了可见光催化能力，同时形成的异质结结构可以抑制光生载流子的复合，有效的提高了光催化反应的活性。例如：在郭淑慧发表的g-C3N4/TiO2复合纳米材料的制备及可见光催化性能的论文中，详细地研究了g-C3N4/TiO2复合纳米材料的制备过程和可见光催化性能(参见：郭淑慧，g-C3N4/TiO2复合纳米材料的制备及可见光催化性能的研究，2014，重庆大学硕士论文)。但是，C3N4/TiO2异质结对可见光的利用仍比较弱，而且其对光生载流子的分离能力仍有待提高。硫元素掺杂的C3N4一方面可以改变C3N4的形貌，为光生载流子的转移提供更好的路径，加速其传播，因而降低光生载流子的复合，另一方面，硫的掺入可提高其对可见光的利用，从而在可见光下产生更多可以用的光生电子空穴。目前，硫掺杂的g-C3N4/TiO2异质结光催化剂未见报道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，尤其是可见光催化性能欠佳的不足，本专利技术提供一种硫掺杂的g-C3N4/TiO2异质结光催化剂及其制备方法与应用。本专利技术制备出的硫掺杂的g-C3N4/TiO2异质结光催化剂能够增强可见光区域的吸收并促进光生电荷转移，且制备方法成本低廉、工艺简单。本专利技术的技术方案如下：一种硫掺杂的C3N4/TiO2异质结光催化剂，该催化剂的化学组成为硫掺杂的C3N4和TiO2纳米颗粒，催化剂的微观结构中包含有棒状和薄片层结构，棒状和薄片层结构表面分布有TiO2纳米颗粒。根据本专利技术，优选的，所述催化剂的化学组成中，硫掺杂的C3N4和TiO2纳米颗粒的质量比为1：(0.5～4)，进一步优选1：(0.8～2)，最优选1:1。根据本专利技术，优选的，所述的TiO2纳米颗粒的平均直径为5-10nm。根据本专利技术，上述硫掺杂的g-C3N4/TiO2异质结光催化剂的制备方法，包括步骤如下：(1)通过热缩聚法，将三聚氰胺和三聚硫氰酸混合煅烧，制得硫掺杂的C3N4(S-C3N4)；(2)通过溶剂热法，将钛源与溶剂混合进行水热反应，制得TiO2纳米颗粒；(3)通过浸渍法，将步骤(1)和(2)制得的S-C3N4和TiO2置于甲醇中超声并混合搅拌，干燥，即得复合光催化剂。根据本专利技术，优选的，步骤(1)中三聚氰胺和三聚硫氰酸摩尔比为(0.5～2)：1，进一步优选1：1；优选的，煅烧温度为500～580℃，煅烧时间为2～4h；升温至煅烧温度进行煅烧，优选的升温速率为2～10℃/min。一种优选的S-C3N4制备方案，包括步骤如下：将三聚氰胺和三聚硫氰酸分别溶于热水中搅拌混合均匀，再将两者混合后转入聚四氟乙烯反应釜中，进行水热反应，将反应釜置于烘箱中保温，冷却后将其取出，用去离子水清洗数次，随后放入烘箱中干燥，将得到的产物置于加盖坩埚中，放入马弗炉中进行煅烧。根据本专利技术，优选的，步骤(2)中所述的钛源为钛酸正四丁酯，所述的溶剂为异丙醇；优选的，钛源与溶剂的体积比为1：(35～45)；优选的，将钛源与溶剂混合后，再逐滴加入去离子水，去离子水与钛源的体积比为(20～40)：1，搅拌混合均匀；优选的，水热反应温度为150～200℃，反应时间为10～15h；进一步优选的，水热反应温度为180℃，反应时间为12h。一种优选的TiO2纳米颗粒的制备方案，包括步骤如下：选取钛酸正四丁酯为钛源，按钛源与溶剂的体积比为1：(35～45)将钛酸正四丁酯加入到异丙醇中，同时按去离子水与钛源的体积比为(20～40)：1，将去离子水逐滴加入到上述溶液中，持续搅拌混合均匀，得到的混合溶液转移至聚四氟乙烯高压釜中，并将高压釜置于烘箱中，待其冷却后，用去离子水和无水乙醇进行多次冲洗离心，得到的固体烘干，即为TiO2纳米颗粒。根据本专利技术，优选的，步骤(3)中S-C3N4和TiO2的质量比1：(0.5～4)；优选的，S-C3N4和TiO2的总质量与甲醇溶剂的体积比为1：(40-100)g/mL。一种优选的步骤(3)的方案，包括步骤如下：将S-C3N4和TiO2分别加入到甲醇溶液中，超声均匀，再按S-C3N4和TiO2质量比1：(0.5～4)进行混合，搅拌12～24h，固液分离，固体置于烘箱中进干燥，即得复合光催化剂。根据本专利技术，上述硫掺杂的g-C3N4/TiO2异质结光催化剂在光催化降解甲基橙中的应用，通过检测甲基橙的吸光度变化，继而得出其浓度变化，用以表征光催化剂的优劣。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：本专利技术利用硫掺杂的C3N4与TiO2复合形成异质结结构，一方面，拓展了TiO2的吸光范围，使TiO2在可见光下具有了催化能力，同时由于TiO2的存在，C3N4在可见光下产生的电子可以转移至TiO2导带上，从而使光生电子和空穴得到了有效的分离。另一方面，由于硫的掺入，改变了C3N4的形貌，使其形成棒状和薄片层结构，为光生载流子的转移提供了更快捷的路径，更进一步抑制了光生载流子的复合，同时硫的掺杂克服了C3N4/TiO2可见光利用率低的缺陷，提高了其对可见光的利用效率，使S-C3N4/TiO2具有较强的光催化降解污染物的能力。本专利技术所述制备方法工艺简单、成本低廉且环境友好，制得的光催化复合材料用于处理废水有很好的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1步骤(1)制得的S-C3N4样品的透射电镜图。图2为本专利技术实施例1步骤(2)制得的TiO2纳米材料的透射电镜图。图3为本专利技术实施例1步骤(3)制得的S-C3N4/TiO2纳米材料的扫描电镜图(a)和透射电镜图(b)。图4为外照式可见光源照射下S-C3N4/TiO2光催化降解甲基橙光催化装置示意图。图5为本专利技术实施例1制得的S-C3N4/TiO2与C3N4/TiO2在外照式可见光光源照射下对甲基橙催化降解性能对比曲线。图6为本专利技术实施例1制得的S-C3N4/TiO2在S-C3N4与TiO2不同比例下对甲基橙光催化降解效果的对比曲线。具体实施方式为了使本专利技术的技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本专利技术进行进一步详细描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。实施例中所用原料均为常规原料，市购产品，所用设备均为常规设备。实施例中所用的水为电导率为18.2MΩ的超纯水。实施例1一种硫掺杂的C3N4/TiO2异质结光催化剂的制备方法，包括步骤如下：(1)通过热缩聚法制备硫掺杂的C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫掺杂的g‑C3N4/TiO2异质结光催化剂，其特征在于，该催化剂的化学组成为硫掺杂的C3N4和TiO2纳米颗粒，催化剂的微观结构中包含有棒状和薄片层结构，棒状和薄片层结构表面分布有TiO2纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种硫掺杂的g-C3N4/TiO2异质结光催化剂，其特征在于，该催化剂的化学组成为硫掺杂的C3N4和TiO2纳米颗粒，催化剂的微观结构中包含有棒状和薄片层结构，棒状和薄片层结构表面分布有TiO2纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的硫掺杂的g-C3N4/TiO2异质结光催化剂，其特征在于，所述催化剂的化学组成中，硫掺杂的C3N4和TiO2纳米颗粒的质量比为1：(0.5～4)。3.根据权利要求2所述的硫掺杂的g-C3N4/TiO2异质结光催化剂，其特征在于，所述催化剂的化学组成中，硫掺杂的C3N4和TiO2纳米颗粒的质量比为1：(0.8～2)。4.根据权利要求1所述的硫掺杂的g-C3N4/TiO2异质结光催化剂，其特征在于，所述的TiO2纳米颗粒的平均直径为5-10nm。5.权利要求1-4任一项所述的硫掺杂的g-C3N4/TiO2异质结光催化剂的制备方法，包括步骤如下：(1)通过热缩聚法，将三聚氰胺和三聚硫氰酸混合煅烧，制得硫掺杂的C3N4(S-C3N4)；(2)通过溶剂热法，将钛源与溶剂混合进行水热反应，制得TiO2纳米颗粒；(3)通过浸渍法，将步骤(1)和(2)制得的S-C3N4和TiO2置于甲醇中超声并混合搅拌，干...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐世平，赵玉，孙翔，岳敏，岳钦艳，高宝玉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37