一种g-C3N4–Fe3O4异质结光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种g‑C3N4Fe3O4异质结光催化剂及其制备方法。该方法包括如下步骤：将三聚氰胺高温煅烧，得到g‑C3N4；将所得g‑C3N4与Fe3O4前驱物混合，通过溶胶‑热液法制备得到g‑C3N4/Fe3O4光催化剂；将所得g‑C3N4/Fe3O4在缩水剂作用下反应，得到g‑C3N4–Fe3O4异质结光催化剂。本发明专利技术的g‑C3N4–Fe3O4复合催化剂具有紧密的异质结结构，在光照条件下具有较高的光电流响应能力，异质结结构能有效抑制光生电子‑空穴的复合。同时，本发明专利技术的制备方法原料易得、成本低、反应条件温和且对环境无污染，具有较好的应用前景。

A g-C3N4 Fe3O4 heterojunction photocatalyst and its preparation method

The invention discloses a G C3N4Fe3O4 heterojunction photocatalyst and a preparation method thereof. The method includes the following steps: calcining melamine at high temperature and obtaining g C3N4, and mixing the G C3N4 with Fe3O4 precursor to obtain a G catalyst C3N4/Fe3O4 photocatalyst by sol-gel hydrothermal solution. The G C3N4/Fe3O4 C3N4/Fe3O4 is reacted with the condensation agent, and G C3N4 Fe3O4 heterojunction photocatalyst is obtained. The G C3N4 - Fe3O4 composite catalyst has a close heterojunction structure, with high photocurrent response ability under light conditions, and the heterojunction structure can effectively inhibit the recombination of photoinduced electron holes. Meanwhile, the preparation method of the invention is easy to obtain, low cost, mild reaction conditions and no pollution to the environment, and has good application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种g-C3N4-Fe3O4异质结光催化剂及其制备方法
本专利技术涉及光催化材料领域，特别涉及一种g-C3N4–Fe3O4异质结光催化剂及其制备方法。
技术介绍
随着世界人口的迅猛增加和现代工业的高速发展，能源短缺和环境污染已成为当今社会面临的两个主要难题。基于半导体材料的光催化作为一种新兴和绿色的技术，在解决能源和环境问题方面具有巨大潜力。近几十年，在众多半导体中，Fe3O4因其化学性质稳定、反应条件缓和、氧化还原性强、二次污染小等优势，一直是科研工作者研究的热点领域。然而，单纯Fe3O4在光催化反应时光生电子和空穴极易复合，导致光量子效率低下，光催化活性受到抑制。此外，Fe3O4禁带宽度约为3.2eV，对应的光吸收带边为387nm，因此只能被太阳光谱中不足5％的紫外光辐射所激发，对太阳能中的可见光部分无法利用，这些都限制了Fe3O4的工业化发展。将Fe3O4与合适的半导体氧化物耦合可以有效改善单纯Fe3O4使用时的不足，同时可以发挥各自的性能优势，起到协同增效作用。石墨相氮化碳(g-C3N4)作为非金属半导体，具有化学性质稳定、禁带宽度较窄、兼容性强等优点，使得它在光催化剂领域具有很大的发展潜力。将g-C3N4与Fe3O4耦合，两者可以形成良好的II型半导体匹配，能够有效促进光生电子和空穴的分离。此外，g-C3N4的禁带宽度约为2.7eV，对应的光吸收带边为460nm，能够被可见光激发，Fe3O4与g-C3N4耦合后可以有效拓展催化剂的光谱响应范围，提高对太阳能的利用率。但现有光催化材料存在制备工艺复杂，需要激光或高温处理等问题，从而导致工艺条件苛刻、操作难度大等问题。因此，开发出制备工艺简单、易于实施的高效光催化材料具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中Fe3O4光催化剂催化效率和光催化活性较低，制备工艺复杂，条件苛刻等问题，本专利技术提供一种具有紧密异质Ti-N化学键联的g-C3N4–Fe3O4复合光催化剂及其制备方法，本专利技术通过构建Fe3O4与g-C3N4之间的化学键联，形成紧密异质结构，这对于该耦合体系光催化活性的提升以及改善环境方面的应用具有重要意义。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种g-C3N4–Fe3O4异质结光催化剂的制备方法，包括以下步骤，步骤a，将三聚氰胺高温煅烧，制得g-C3N4；步骤b，将步骤a制得的g-C3N4与Fe3O4前驱物通过溶胶-热液法制得g-C3N4/Fe3O4光催化剂；步骤c，步骤b中所得g-C3N4/Fe3O4在脱水剂作用下反应，得到g-C3N4–Fe3O4异质结光催化剂。其中，步骤a中，所述煅烧温度为550～650℃，煅烧时间为3-5h，优选为4h。优选的，所述煅烧在空气氛围下进行。所得g-C3N4为石墨相。所述步骤b中的溶胶-热液法，具体操作为，将甲基丙烯酸羟丙酯和水杨酸混合，并加入步骤a中制得的g-C3N4，配置成A混合液；将硫酸和水杨酸混合，配置成B混合液；边搅拌边将B混合液逐滴加入到A混合液中，形成溶胶；将溶胶转移入反应釜内，进行热液合成，反应后，将冷却的产物分离，所得固体清洗、干燥，即可得到g-C3N4/Fe3O4光催化剂。优选，所述A混合液中，甲基丙烯酸羟丙酯与水杨酸的体积比为3:2；所述B混合液中，硫酸优选浓度为5mol/L，其与水杨酸体积比为3:1.2；其中，甲基丙烯酸羟丙酯与硫酸体积比为3.2:1。其中，步骤b中，所述热液合成反应的温度为80～150℃，反应时间为20-30h，优选24h。优选的，所述g-C3N4与甲基丙烯酸羟丙酯的质量体积比为(1.0～4.0)g：6mL。作为实例，A混合液中，甲基丙烯酸羟丙酯用量为12mL，水杨酸用量为24mL，g-C3N4加入量为2.0～8.0g；B混合液中，浓度为1mol/L的HNO3为10mL，水杨酸12mL。其中，步骤c中，所述脱水剂优选二环己基碳二亚胺，所述g-C3N4/Fe3O4与二环己基碳二亚胺的质量比为(3～8)：(1～5)；优选，反应温度为45～65℃，反应时间为4～12h。所得g-C3N4/Fe3O4具有异质结结构。本专利技术g-C3N4-Fe3O4异质结光催化剂的制备原理：通过三聚氰胺煅烧热解制得石墨相g-C3N4，然后将g-C3N4与Fe3O4前驱物通过溶胶-热液法制得g-C3N4/Fe3O4耦合体系，再将g-C3N4/Fe3O4在脱水剂二环己基碳二亚胺作用下反应，Fe3O4表面的Ti-OH与g-C3N4表面的-NH2脱水缩合，形成Ti-N键，从而制得g-C3N4–Fe3O4异质结光催化剂。与现有技术相比，本专利技术具有如下积极的效果：(1)本专利技术提供的g-C3N4–Fe3O4复合光催化剂具有紧密的异质结结构，能有效抑制光催化反应时光生电子和空穴的复合，具有较好的光电流响应性能；(2)本专利技术提供的催化剂光谱响应范围宽且光催化活高，在环保领域具有很高的实用价值和应用前景；(3)本专利技术的光催化剂制备方法简单，原料易得、成本低、反应条件温和且对环境无污染，易于工业化生产。附图说明图1为本专利技术实施例3中制备的g-C3N4–Fe3O4和g-C3N4/Fe3O4的红外光谱表征图；图2a、2b分别为本专利技术实施例3中制备的g-C3N4/Fe3O4和g-C3N4–Fe3O4的XPS表征图；图3为本专利技术实施例3中制备的g-C3N4–Fe3O4和g-C3N4/Fe3O4的光电流响应图；图4为本专利技术实施例3中制备的g-C3N4–Fe3O4、g-C3N4/Fe3O4和g-C3N4光催化活性对比图。具体实施方式下文将结合附图和具体实施例对本专利技术做更进一步的详细说明。下列实施例仅为示例性地说明和解释本专利技术，而不应被解释为对本专利技术保护范围的限制。凡基于本
技术实现思路
所实现的技术均涵盖在本专利技术旨在保护的范围内。<制备实施例>(实施例1)将20g三聚氰胺置于管式炉中，在空气氛围下500℃煅烧4h制得g-C3N4。将12mL甲基丙烯酸羟丙酯和24mL水杨酸混合，并加入2g的上述步骤中制得的g-C3N4，配置成A混合液；将10mL浓度为1mol/L的HNO3和12mL水杨酸混合，配置成B混合液；边搅拌边将B混合液逐滴加入到A混合液中，形成溶胶；将溶胶转移入反应釜内，在90℃下进行热液合成，反应24h后，将冷却的产物抽虑分离，将分离后的固体物质清洗并干燥即可得到g-C3N4/Fe3O4光催化剂。将4g上述步骤制得的g-C3N4/Fe3O4加入到150mL四氢呋喃中，再加入1.5g二环己基碳二亚胺，50℃条件下加热回流反应5h，将反应后的产物洗涤、烘干即可得到g-C3N4–Fe3O4异质结光催化剂。(实施例2)将20g三聚氰胺置于管式炉中，在空气氛围下520℃煅烧4h制得g-C3N4。将12mL甲基丙烯酸羟丙酯和24mL水杨酸混合，并加入3g的上述步骤中制得的g-C3N4，配置成A混合液；将10mL浓度为1mol/L的HNO3和12mL水杨酸混合，配置成B混合液；边搅拌边将B混合液逐滴加入到A混合液中，形成溶胶；将溶胶转移入反应釜内，在110℃下进行热液合成，反应24h后，将冷却的产物抽虑分离，将分离后的固体物质清洗并干燥即可得到g-C3N4/Fe3O4光催化剂。将4g本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种g‑C3N4–Fe3O4异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤a，将三聚氰胺高温煅烧，制得g‑C3N4；步骤b，将步骤a制得的g‑C3N4与Fe3O4前驱物通过溶胶‑热液法制得g‑C3N4/Fe3O4光催化剂；步骤c，步骤b中所得g‑C3N4/Fe3O4在脱水剂作用下反应，得到g‑C3N4–Fe3O4异质结光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种g-C3N4–Fe3O4异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤a，将三聚氰胺高温煅烧，制得g-C3N4；步骤b，将步骤a制得的g-C3N4与Fe3O4前驱物通过溶胶-热液法制得g-C3N4/Fe3O4光催化剂；步骤c，步骤b中所得g-C3N4/Fe3O4在脱水剂作用下反应，得到g-C3N4–Fe3O4异质结光催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a中，所述煅烧温度为550～650℃，煅烧时间为5-6h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a中，所述g-C3N4为石墨相。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b中的溶胶-热液法，具体操作为，将甲基丙烯酸羟丙酯和水杨酸混合，并加入步骤a中制得的g-C3N4，配置成A混合液；将硫酸和水杨酸混合，配置成B混合液；边搅拌边将B混合液逐滴加入到A混合液中，形成溶胶；所述溶胶在一定温度下进行热液合成，得到g-C3N4/Fe3O4光催化剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘威，
申请(专利权)人：佛山杰致信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44