一种可见光响应光催化材料及其制备与其在微污染水处理中的应用制造技术

本发明专利技术提供一种可见光响应光催化材料及其制备与其在微污染水处理中的应用。所述可见光响应光催化材料通过将氧化石墨烯引入碳掺杂g‑C

A visible light response photocatalytic material and its preparation and application in micro polluted water treatment

【技术实现步骤摘要】
一种可见光响应光催化材料及其制备与其在微污染水处理中的应用
本专利技术属于催化材料
，具体涉及一种可见光响应光催化材料及其制备与其在微污染水处理中的应用。
技术介绍
石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种新兴的可见光响应型光催化剂，因其具有原材料绿色易得(仅由C和N所组成)、化学和热稳定性优良、无生物毒性、可见光响应以及催化活性较好等优点，成为研究的热门。尽管g-C3N4在光催化领域具有许多优点，但由于传统制备方法获得的石墨相氮化碳材料存在比表面积小和光生载流子复合率高等问题，且实验室合成的g-C3N4及其改性材料多为粉末状，在实际应用中存在难以回收和循环使用的问题，限制了石墨相氮化碳基光催化材料在工业化推广与应用。针对上述这些问题，提高g-C3N4光催化活性的策略主要包括：金属/非金属元素掺杂、构筑半导体异质结、与光敏性染料复合、负载贵金属纳米颗粒等方法。(1)金属元素掺杂根据掺杂金属阳离子种类的不同，可以分为稀土离子掺杂(La3+、Ce3+、Er3+、Pr3+、Gd3+、Nd3+以及Sm3+等)与过渡金属离子掺杂(Fe3+、Mo5+、Ru3+、Os3+、Re5+、V4+以及Rh3+等)两大类。稀土金属含有较多的电子能级可以成为光生电子和空穴的浅势捕获陷阱，通过掺杂能延长光催化材料光生电子与空穴对的复合时间，提高其光催化活性，同时稀土元素可以吸收紫外光区、可见光区、红外光区的各种波长的电磁辐射,从而更有效地利用太阳能。但是，掺杂过量的稀土元素时，稀土元素就会以氧化物的形式沉淀在光催化剂表面，造成有效比表面积的降低，从而引起光催化活性降低。过渡金属掺杂的光催化剂研究较多，但是这些催化剂在热稳定以及能带位置等方面都有一定的缺陷，使催化剂的使用受到限制。此外，从环境友好的角度上来说，虽然金属元素的引入可以提高光催化剂的活性。但是，催化剂在使用过程中可能会发生金属元素的逸出，造成环境污染。(2)非金属元素掺杂除了金属元素的掺杂，向半导体材料中掺杂非金属阴离子也可以提高光催化剂的活性。常见的掺杂有：氮掺杂、硫掺杂、卤素掺杂以及碳掺杂。非金属掺杂是在不降低紫外光活性的同时提高光催化材料的可见光响应能力。但是掺杂非金属元素提高光催化材料的可见光响应能力是以降低带隙宽度为代价的，其后果是直接导致光催化材料的氧化能力降低，使吸附物质不能完全氧化降解。(3)构筑半导体异质结选择能带位置交错的不同半导体进行复合构筑异质结也是一种常用和有效提高半导体光催化性能的方法。该方法不仅可以扩宽石墨相氮化碳的光谱响应范围，而且可以高效提高光生电子-空穴分离效率，从而提高石墨相氮化碳本身的催化性能。与g-C3N4构筑的半导体异质主要有三种类型。I和II两种类型的能带相互交错，有利于光生电子-空穴分离。Ⅲ类型中能带更窄的复合半导体可以有效扩展g-C3N4光吸收范围。目前，大多数与石墨相氮化碳构筑异质结的半导体为基于过渡金属传统半导体(WO3、Zn2GeO4、BiMoO6以及V2O5等等)。此类改性方式同样存在催化剂在使用过程中金属元素逸出的问题，易造成环境污染。(4)与光敏性染料复合g-C3N4材料与光敏性染料复合提高光催化活性主要是基于染料的光敏化增强机制。将一些光敏性染料通过物理或者化学吸附作用复合在g-C3N4材料的表面，由于这些染料在光照下会产生一些活性过渡态，这些过渡态的染料分子通过光敏化作用可有效促进半导体表面电子与空穴的分离，最终使得g-C3N4光催化性能提高。另外，这些染料可以吸收更长波长的光，从而扩展g-C3N4的光响应范围。但是，该方法有较多缺点：由于有机染料与石墨相氮化碳的相互作用不强，在光催化反应过程中容易脱落，还容易被自身产生的活性自由基降解而发生分解，从而导致催化剂重复使用性能较差；另外有机染料不环保，价格昂贵，导致染料光敏化改性的方法在实际应用中受到制约。(5)负载贵金属纳米颗粒负载贵金属纳米颗粒(Pt、Ag、Au、Ru、Pd、Ni以及Sn等)主要是通过贵金属纳米颗粒的等离子共振效应实现提高光催化性能。贵金属纳米颗粒一般在长波长具有等离子共振吸收，可拓宽g-C3N4的光吸收范围。此外，贵金属纳米颗粒吸收光后由于等离子效应会在催化剂表面形成肖特基势能，g-C3N4的光生电子会注入到贵金属纳米颗粒上，从而使得光生载流子重新分布，抑制电子-空穴的复合，从而有更多的活性载流子参与光催化反应，提高光催化活性。负载贵金属纳米願粒的方法虽然可以提高g-C3N4的光催化活性，但是该方法需要的贵金属纳米颗粒成本较高，在大规模工业应用方面受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种可见光响应光催化材料及其制备方法。本专利技术所提供的可见光响应光催化材料通过将氧化石墨烯引入碳掺杂g-C3N4材料实现改性制备得到。本专利技术所提供的可见光响应光催化材料通过包括如下步骤的方法制备得到：1)以三聚氰胺、三聚氰酸和巴比妥酸以及GO溶液为前体物，向其中加入无水有机溶剂形成悬浮液；2)对所述悬浮液进行超声处理，搅拌；3)将搅拌后悬浮液烘干，得到白色固体；4)将所得白色固体煅烧，冷却后收集固体产物，得到氧化石墨烯改性的碳掺杂g-C3N4材料，即可见光响应光催化材料。上述方法步骤1)中，所述氧化石墨烯(GO)溶液的质量浓度为5mg/mL，是南京先丰纳米科技有限公司的产品。聚氰胺、三聚氰酸和巴比妥酸以及GO溶液的配比可为：2g:1.93g:0.07g:4-40mL；具体可为：2g:1.93g:0.07g:10-40mL，更具体可为2g:1.93g:0.07g:30mL；所述无水有机溶剂具体可为无水乙醇；上述方法步骤2)中，所述超声处理的条件可为：室温下超声2-4h(KQ100V，37kHz)，具体可为3h；所述搅拌的条件可为：350r/min搅拌3h；上述方法步骤3)中，所述烘干的温度可为60-80℃，具体可为70℃；上述方法步骤4)中，所述煅烧可在马弗炉中进行；所述煅烧的条件为：以1.5-15℃/min(具体可为2.3℃/min)的速率加热至550-600℃(具体可为550℃)，保持2-4h，(具体可为4h)；上述方法还可进一步包括将收集得到的固体产物研磨成粉末的操作。催化剂的合成过程中各阶段的作用：原料的配比：不同原料的配比，对催化剂的催化活性有着明显的差异，从氧化石墨烯(GO)掺杂量对GO改性样品n％GCN催化活性的影响实验中就可以发现这一点。超声阶段：得到均匀分散的组分；烘干阶段：其一，酒精完全挥发后才得以进入马弗炉在550℃下进行反应，保证安全；其二，将溶液烘干至无明显液体以得到白色超分子聚集体，方可进行下一步反应；升温阶段：升温速率决定到达目标温度时，所需时间的长短，但煅烧时间中不包括马弗炉从室温升至目标温度所需要的时间；煅烧阶段：煅烧的温度与煅烧时间对催化剂的活性起着至本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可见光响应光催化材料，通过将氧化石墨烯引入碳掺杂g-C

【技术特征摘要】
1.一种可见光响应光催化材料，通过将氧化石墨烯引入碳掺杂g-C3N4材料实现改性制得。


2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述可见光响应光催化材料通过包括如下步骤的方法制备得到：
1)以三聚氰胺、三聚氰酸和巴比妥酸以及GO溶液为前体物，向其中加入无水有机溶剂形成悬浮液；
2)对所述悬浮液进行超声处理，搅拌；
3)将搅拌后悬浮液烘干，得到白色固体；
4)将所得白色固体煅烧，冷却后收集固体产物，得到氧化石墨烯改性的碳掺杂g-C3N4材料，即可见光响应光催化材料。


3.根据权利要求2所述的材料，其特征在于：步骤1)中，所述GO溶液中GO的质量浓度为5mg/mL；
聚氰胺、三聚氰酸和巴比妥酸以及GO溶液的配比为：2g:1.93g:0.07g:4-40mL；
所述无水有机溶剂为无水乙醇；
步骤2)中，所述超声处理的条件为：室温下超声2-4h；
所述搅拌的条件为：350r/min搅拌3h；
步骤3)中，所述烘干的温度为60-80℃；
步骤4)中，所述煅烧的条件为：以1.5-15℃/min的速率加热至550-600℃，保持2-4h。


4.一种玻璃纤维毛毡负载的氧化石墨烯改性的碳掺杂g-C3N4材料，通过将权利要求1-3中任一项所述的可见光响应光催化材料，即氧化石墨烯改性的碳掺杂g-C3N4材料，负载于玻璃纤维毛毡上制得。


5.制备权利要求4所述的玻璃纤维毛毡负载的氧化石墨烯改性的碳掺杂g-C3N4材料的方法，包括如下步骤：
1)硅溶胶的制备；
2)玻璃纤维毛毡的预处理；
3)氧化石墨烯改性的碳掺杂g-C3N4材料浆液的制备；
4)将氧化石墨烯改性的碳掺杂g-C3N4材料负载于玻璃纤维毛毡：将预处理后的玻璃纤维放入氧化石墨烯改性的碳掺杂g-C3N4材料浆液中，采用浸泡-提拉-烘干法，得到玻璃纤维毛毡负载的氧化石墨烯改性的碳掺杂g-C3N4材料。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述硅溶胶的制备包括：将正硅酸乙酯加入无水乙醇中，搅拌，加入盐酸，回流反应，冷却至室温，得到硅溶胶；
步骤2)中，所述玻璃纤维毛毡的预处理的操作为：将玻璃纤维毛毡裁剪，剥...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙迎雪，刘晨，殷秀峰，常学明，陆松柳，
申请(专利权)人：北京工商大学，启迪水务上海有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11