氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂及其制备方法与应用，制备方法如下：1)将三聚氰胺，双氰胺，硫脲尿素等富氮有机物放入坩埚内在220‑420℃温度间进行高温煅烧处理并保持0.5‑10h，冷却，得前驱体；2)将前驱体研磨，在惰性气体环境下进行煅烧，得到产物为氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂。利用本发明专利技术的方法制备的氮缺陷石墨相氮化碳的纳米材料，能够提供更多的催化反应位点，同时氮缺陷可以捕获光生电子，有效使光生电子‑空穴分离，降低复合率，提高光催化活性。利用所获得的光催化剂，在可见光照射下可以有效地降解有机污染物。

【技术实现步骤摘要】
氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂及其制备方法与应用
本专利技术属于光催化材料
，具体涉及氮缺陷氮化碳纳米片光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
随着人类社会的发展，环境污染问题日益突出，亟待解决，在众多的环境净化方法中，光催化环境净化技术备受关注。光催化技术是一种环境友好型技术，可以利用太阳光实现降解有机污染物，具有无二次污染、可循环再生等特点。近年来，石墨相氮化碳作为一种无金属材料受到了科研工作者的极大关注，石墨相氮化碳具有相对较小的带隙和稳定的光化学特性，在降解有机污染物，氮氧化物还原等领域有着广泛的应用。但是目前的石墨相氮化碳存在比表面积小，光生电子易复合，量子效率低等问题导致光催化活性不高。因此科研工作者为了提高石墨相氮化碳的活性做了很多的研究，如通过与其他材料的复合来提高活性，也有的利用金属、非金属掺杂来改变体系结构提高活性。众所周知，固有缺陷可以促进光催化活性，缺陷不仅可以改变电子结构，而且可以充当反应活性位点，还可以提高光催化材料的量子效率，作为陷阱捕获电子抑制电子与空穴的复合，因此缺陷的研究对提高光催化材料有重要的作用。但是以往的研究报道的氮缺陷材料颗粒尺寸大，比表面积小，形貌单一，光催化活性低。为了进一步提高氮缺陷石墨相氮化碳材料的光催化效率，我们将提高石墨相氮化碳内部结晶性、获得最佳缺陷比例及大比表面积三种要素特征赋予一种材料之中，从而显著的提高石墨相氮化碳的光催化活性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种大表面积微晶氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂及其制备方法，该方法简单、方便、低成本、条件温和、有利于大规模生产。本专利技术采用的技术方案为：氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，制备方法如下：1)将富氮有机物放入坩埚内，在220-420℃温度间进行高温煅烧处理并保持0.5-10h后自然冷却，得前驱体A；2)将前驱体A直接在惰性气体环境或空气环境下进行煅烧，得到目标产物氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂；或将前驱体A进行酸处理，得前驱体B，将前驱体B研磨，在惰性气体或空气环境下进行煅烧，得到目标产物氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂。所述的氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，步骤2)中所述酸处理具体为：首先将前驱体A溶于去离子水中加热搅拌，然后逐滴加入草酸，将所得混合液放入烘箱中加热烘干，得前驱体B。所述的氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，所述前驱体A溶于去离子水配制成浓度为0.01-3mol/L的溶液。所述的氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，所述加热搅拌的加热温度为40-99℃。所述的氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，所述烘箱中加热烘干的温度为80-250℃。所述的氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，每克前驱体A对应加入0.375-3g草酸。所述的氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，所述步骤1)中富氮有机物为三聚氰胺、双氰胺、硫脲或尿素。所述的氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，所述步骤2)中在惰性气体环境或空气环境下进行煅烧，煅烧的温度为450-550℃，煅烧时间为1-10h。所述的氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，所述步骤2)中在惰性气体环境或空气环境下于管式炉中进行煅烧，煅烧温度为450-600℃，煅烧时间为1-8h。一种所述氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂在可见光下催化降解气体污染物异丙醇中的应用。本专利技术的有益效果是：本专利技术不仅成功构建出氮缺陷结构，同时还形成一个石墨相氮化碳纳米片结构，这样更容易使光生电子-空穴有效分离，降低复合率，可以有效的提高光催化活性。并且本专利技术所提供的制备方法，其原料廉价，操作简单，极大程度降低了成本，而且对环境无污染，实现了绿色化学。在可见光下降解异丙醇产生丙酮的速率是纯的石墨相氮化碳12倍左右。附图说明图1为实施例1制备的CNO光催化剂的XRD测试。图2为实施例1制备的CNO光催化剂的TEM图。图3为实施例2制备的CN1光催化剂的XRD测试。图4为实施例2制备的CN1光催化剂的TEM图。图5为实施例3制备的CN2光催化剂的XRD测试。图6为实施例3制备的CN2光催化剂的TEM图。图7为实施例4制备的CN3光催化剂的XRD测试。图8为实施例4制备的CN3光催化剂的TEM图。图9为CNO、CN1、CN2和CN3光催化降解异丙醇气体的活性对比图。图10为CNO、CN1、CN2和CN3光催化剂EPR对比图。具体实施方式实施例1纯的g-C3N4(CNO)光催化剂(一)制备方法直接将2.52g的三聚氰胺，在氮气的环境下，在550℃煅烧4h，升温速率为5℃/min，得纯的g-C3N4(CNO)光催化剂。(二)检测图1为实施例1制备的CNO的XRD测试图，由图1可见，样品在13°和27°有二个衍射峰。根据公式计算出样品的晶粒尺寸大约为15.2nm。图2为实施例2制备的CNO的TEM图，由图2可见，纯的石墨相氮化碳含有少量的孔，可以近似的认为是一个无孔的材料。实施例2氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂(一)制备方法1)将2.5g三聚氰胺放入坩埚内在350℃温度进行煅烧处理并保持5h后自然冷却，得前驱体A(固体)；2)随后将2g前驱体A溶于60mL去离子水中配制成浓度为0.2mol/L的溶液，在60℃加热条件下，磁力搅拌，然后逐滴加入0.75g草酸，将所得混合液放入烘箱中，于100-110℃下烘干，得前驱体B；将前驱体B放入研钵中研磨，研磨后置于氧化铝坩埚内，于管式炉中，在氮气的环境下，550℃煅烧4h，得目标产物氮缺陷石墨相氮化碳g-C3N4纳米片光催化剂(CN1)；3)将目标产物GN1放在马弗炉中，在空气的环境下，于550℃煅烧2h，除去草酸的碳残留。(二)检测图3为实施例2制备的CN1的XRD测试图，由图3可见，样品在13°和27°有二个衍射峰，符合石墨相氮化碳的衍射峰，与纯的g-C3N4衍射峰相似，证明所合成样品为石墨相氮化碳。图4为实施例2制备的CN1的TEM图，由图4可见，样品表面有许多大的孔，表明样品是一个多孔材料，孔的数量比CN0多，而且所得样品为更加薄的纳米片结构。通过XRD测试图已经确定了CN1为石墨相化氮，由图4可见，晶粒尺寸大约13.6nm可以明显看出在13°的衍射峰明显减小这是由于酸的加入破坏了晶体结构，然而减小了样品的晶粒尺寸。通过图2可以看出CNO孔的数量较少，类似一个无孔的材料，像是一个厚厚的涂层。而CN1具有完全不同的形貌，很明显是一个薄薄的纳米片结构，而且颗粒尺寸明显减小与XRD的测量结果相同。实施例3氮缺陷石墨相氮化碳复合光催化剂(一)制备方法1)将2.52g三聚氰胺放入坩埚内在420℃温度进行煅烧处理并保持5h后自然冷却，得前驱体A(固体)；2)随后将2g前驱体A溶于60mL去离子水中配制成浓度为0.2mol/L的溶液，在60℃加热条件下，磁力搅拌下，加入1.5g草酸，将所得混合液放入烘箱中，于100-110℃下烘干，得前驱体B；将前驱体B放入研钵中研磨，放入氧化铝坩埚中，于管式炉中，在氮气的环境下，于550℃煅烧4h，得目标产物氮缺陷石墨相氮化碳g-C3N4纳米片光催化剂(GN2)；3)将产物GN2在马弗炉中，在空气的环境下，于550℃煅烧2h，除去草酸的碳残留。(二)检测图5为实施例3制备的CN2的XRD测试图，由图5可见，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，其特征在于，制备方法如下：1)将富氮有机物放入坩埚内，在220‑420℃温度间进行高温煅烧处理并保持0.5‑10h后自然冷却，得前驱体A；2)将前驱体A研磨直接在惰性气体环境或空气环境下进行煅烧，得到目标产物氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂；或将前驱体A进行酸处理，得前驱体B，将前驱体B研磨，在惰性气体或空气环境下进行煅烧，得到目标产物氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂。

【技术特征摘要】
1.氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，其特征在于，制备方法如下：1)将富氮有机物放入坩埚内，在220-420℃温度间进行高温煅烧处理并保持0.5-10h后自然冷却，得前驱体A；2)将前驱体A研磨直接在惰性气体环境或空气环境下进行煅烧，得到目标产物氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂；或将前驱体A进行酸处理，得前驱体B，将前驱体B研磨，在惰性气体或空气环境下进行煅烧，得到目标产物氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂。2.如权利要求1所述的氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，其特征在于，步骤2)中所述酸处理具体为：首先将前驱体A溶于去离子水中加热搅拌，然后逐滴加入草酸，将所得混合液放入烘箱中加热烘干，得前驱体B。3.如权利要求2所述的氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，其特征在于，所述前驱体A溶于去离子水配制成浓度为0.01-3mol/L的溶液。4.如权利要求2所述的氮缺陷石墨相氮化碳纳米片光催化剂，其特征在于，所述加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭强，韩东远，范晓星，韩宇，王绩伟，宋朋，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21