一种碳量子点掺杂氮化碳催化剂的制备及其无光催化降解染料废水的应用制造技术

本发明专利技术属于压电材料催化技术领域，具体涉及一种碳量子点掺杂氮化碳催化剂的制备及其无光催化降解染料废水的应用。该无光催化降解染料废水的方法包括以下步骤：1)将柠檬酸和尿素溶解在去离子水中，放入反应釜中加热，冷却后离心取上层液，得到碳量子点溶液；2)将尿素溶解于去离子水后，加入步骤1)制备得到的碳量子点溶液，搅拌均匀后放入坩埚中干燥后，移入管式炉煅烧，煅烧后得到碳量子点掺杂氮化碳；3)无光源搅拌条件下对染料废水催化降解。该方法在30min内降解染料废水效率可高达92.5％，在黑暗管道废水处理领域有广阔的应用前景。在黑暗管道废水处理领域有广阔的应用前景。在黑暗管道废水处理领域有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种碳量子点掺杂氮化碳催化剂的制备及其无光催化降解染料废水的应用


[0001]本专利技术属于压电材料催化
，具体涉及一种碳量子点掺杂氮化碳催化剂的制备及其无光催化降解染料废水的应用。

技术介绍

[0002]基于半导体材料的光催化技术直接利用太阳能降解有机污染物，已经成为解决环境污染和能源短缺的技术之一。但是半导体光催化材料的催化效率受到电荷复合的极大限制。在库仑力的作用下半导体受光激发产生的电子
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空穴对很容易复合，只有很少部分载流子能够摆脱库仑力的作用，迁移至半导体颗粒表面参与光催化反应，使其光催化性活性降低。因此，探索具有高的电子
‑
空穴对分离效率的新型催化材料以解决环境和能量危机具有重要意义。
[0003]压电催化通过利用机械振动使材料发生形变并产生内建电场,在内建电场力的作用下,电子和空穴发生分离,从而更有效地促进载流子的分离，提高催化降解污染物效率。压电催化由于具有操作简单、成本低、无毒等优点而备受关注。氮化碳作为二维层状结构，具有较高的压电系数，较大的比表面积和高表面原子比。同时，它还具有制备简单、环境友好、适合规模化生产等优点。虽然氮化碳作为压电材料能解决电子
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空穴对分离效率问题，但其催化效率不高，主要原因是其载流子迁移率较低，严重影响其催化效率。因此，采取在氮化碳上掺杂导电介质来促进电荷载流子的迁移成为该方向亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种碳量子点掺杂氮化碳催化剂的制备及其无光催化降解染料废水的应用。本专利技术在氮化碳纳米片上掺杂导电介质碳量子点，构建电子转移通道，促进电荷载流子的迁移，可产生压电效应，从而增强催化活性，显著提高染料废水降解效率，在30min内降解效率高达92.5％。催化剂经过多次利用后仍能保持较高的催化效率，稳定性好。
[0005]本专利技术所提供的技术方案如下：
[0006]一种碳量子点掺杂氮化碳的制备方法，包括以下步骤：
[0007]1)制备碳量子点：将柠檬酸和尿素溶解在去离子水中，放入反应釜中加热，冷却后离心取上层液，得到碳量子点溶液；
[0008]2)制备碳量子点掺杂氮化碳：将尿素溶解于去离子水后，加入步骤1)制备得到的碳量子点溶液，搅拌均匀后放入坩埚中干燥后，移入管式炉煅烧，煅烧后得到碳量子点掺杂氮化碳。
[0009]上述技术方案中：
[0010]1)本专利技术通过共沉淀煅烧法，将碳量子点锚定在氮化碳纳米片上，负载碳量子点大大提高了催化剂的表面积，使其活性位点增多；
[0011]2)将碳量子点锚定在氮化碳纳米片上，碳量子点分散均匀，使得氮化碳表面粗糙度增加，在搅拌作用下，有利于电子与空穴对分离；
[0012]3)将碳量子点锚定在氮化碳纳米片上，碳量子点作为纳米片间导电介质，能促进电荷载流子的迁移，并可以产生压电效应。
[0013]具体的，步骤1)中，溶解后柠檬酸的浓度为0.01
‑
10M，溶解后尿素的浓度为0.01
‑
10M。
[0014]具体的，步骤1)中，反应釜的反应温度为175
‑
185℃，优选为180℃，反应时间为1
‑
5h。
[0015]具体的，步骤1)中，冷却过程为静置自然冷却，离心为用高速离心机离心分离，转速为5000rpm，时间为20min。
[0016]具体的，步骤2)中，尿素溶液的浓度为0.01
‑
10M。
[0017]具体的，步骤2)中，尿素溶液与碳量子点溶液的体积用量比为(200
‑
1200):1。
[0018]具体的，步骤2)中，煅烧的升温速度为15
‑
25℃/min，温度为300
‑
800℃，时间为1
‑
24h。
[0019]本专利技术还提供了上述制备方法制备得到的碳量子点掺杂氮化碳。
[0020]本专利技术还提供了上述碳量子点掺杂氮化碳在无光条件下催化降解染料废水的方法。
[0021]本专利技术所制备的催化剂可在无光源环境下进行染料废水降解，从而避免光催化材料对光利用率低和催化效率受到电荷复合的极大限制等问题，在黑暗管道废水处理领域有广阔的应用前景。
[0022]具体的，本专利技术所制备的催化剂在搅拌条件下对染料废水进行无光催化降解，其原理是：当前常用的半导体光催化剂，由于光生载流子和空穴的快速复合，使得其光催化效率较低。氮化碳具有二维片状结构，压电系数高，比表面积大，表面原子比高，这些特性使得氮化碳材料具有较好的压电效应。利用搅拌振动使片状氮化碳发生形变并产生内建电场,在电场力的作用下,促进电子和空穴分离,从而避免电子和空穴复合。碳量子点碳量子点材料具有环境友好性、制备成本低、水溶性和导电性好等优点，将碳量子点锚定在氮化碳纳米片上作为导电介质，有利于促进电荷载流子的迁移，从而提高染料废水催化效率。需要说明的是，本专利技术中所用的反应试剂均从市场上购买，纯度为化学纯或化学纯以上的试剂。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例1制得的碳量子点透射电镜TEM图；
[0024]图2为本专利技术实施例1制得碳量子点掺杂氮化碳扫描电镜TEM图；
[0025]图3为本专利技术实施例1制得碳量子点掺杂氮化碳与纯氮化碳比表面积对比图；
[0026]图4为本专利技术实施例制得的不同含量碳量子点掺杂氮化碳搅拌降解MB催化效率图；
[0027]图5为本专利技术实施例制得的碳量子点掺杂氮化碳在不同搅拌速度下降解MB催化效率图；
[0028]图6为本专利技术实施例1制得的碳量子点掺杂氮化碳催化降解MB循环稳定性图；
[0029]图7为本专利技术所提供的碳量子点掺杂氮化碳在无光搅拌条件下对染料废水催化降
解示意图。
具体实施方式
[0030]以下对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。
[0031]实施例1
[0032]一种碳量子点掺杂氮化碳催化剂的制备及其无光催化降解染料废水的应用，其步骤如下：
[0033]1)制备碳量子点：
[0034]在室温下将15g柠檬酸和5g尿素溶解在75mL去离子水中，搅拌至完全溶解后，转移至反应釜，在180℃下加热5h。自然冷却后，将得到的深棕色悬浮液以3000rpm的转速离心20min，所得到的上层清液即为碳量子点溶液。
[0035]2)制备碳量子点掺杂氮化碳：
[0036]室温下将10g尿素溶解在30mL的去离子水溶液中形成透明溶液，后加入100μL碳量子点溶液搅拌均匀，将混合溶液转移至坩埚中在60℃下干燥24h，后将干燥后的固体转移至管式炉中煅烧，温度为550℃，升温速度为15℃/min，时间为3h。煅烧结束即得到碳量子掺杂的类石墨相氮化碳。
[0037]3)无光环境下催化降解染料废水
[0038本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳量子点掺杂氮化碳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备碳量子点：将柠檬酸和尿素溶解在去离子水中，放入反应釜中加热，冷却后离心取上层液，得到碳量子点溶液；2)制备碳量子点掺杂氮化碳：将尿素溶解于去离子水后，加入步骤1)制备得到的碳量子点溶液，搅拌均匀后放入坩埚中干燥后，移入管式炉煅烧，煅烧后得到碳量子点掺杂氮化碳。2.根据权利要求1所述的碳量子点掺杂氮化碳的制备方法，其特征在于：步骤1)中，溶解后柠檬酸的浓度为0.01
‑
10M，溶解后尿素的浓度为0.01
‑
10M。3.根据权利要求1所述的碳量子点掺杂氮化碳的制备方法，其特征在于：步骤1)中，反应釜的反应温度为175
‑
185℃，反应时间为1
‑
5h。4.根据权利要求1所述的碳量子点掺杂氮化碳的制备方法，其特征在于：步骤1)中，冷却过程为静置自然冷却，离心为用高速离心机离心分离，转速为5000rpm，时间为20min。5.根据权利要求1所述的碳量子点掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：程德山，闫昌旺，蔡光明，李岱祺，赵仲，冉建华，吴济宏，
申请(专利权)人：武汉纺织大学，
类型：发明
国别省市：