一种含氮空位氮化碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种含氮空位氮化碳材料及其制备方法和应用，其制备方法包括：将双氰胺放入加盖坩埚，然后置于在马弗炉内，并以2.5℃/min的升温速率升至550℃，再保温4 h，然后冷却至室温，得到不含氮空位的氮化碳材料，再研磨备用；将不含氮空位的氮化碳粉末置于管式炉中，在氮气气氛下，以0.5~2.5℃/min的升温速率升温至450~650℃，再保温0.5~8 h，即得到含氮空位氮化碳材料。本发明专利技术制备得到的含氮空位氮化碳材料可在可见光辅助下快速激活高碘酸盐应用于有机废水的脱污，能高效去除有机废水中多种持久性难降解污染物，且该制备的材料无需高温再生可通过简易光照实现自清洁以达到可持续性循环使用，在实际废水的深度净化方面颇具潜能。颇具潜能。颇具潜能。

【技术实现步骤摘要】
一种含氮空位氮化碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于材料和污水处理
，涉及光催化剂，特别涉及一种含氮空位氮化碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，环境水体中频繁检测到的有机污染物已成为全球日益关注的问题之一。由于水体中大多数新兴有机污染物具有致癌性，能够干扰内分泌系统，破坏免疫功能、刺激抗性基因和耐药性的产生等，对人体健康和生态自然环境安全造成重大威胁，因此需要采取对策，以有效去除水体中有机污染物。高级氧化法（AOPs）作为一种解决环境污染的化学水处理技术，因其对有机污染物的转化能力强、操作简便、反应效率高而受到人们的广泛关注，具有良好实际应用前景。但现有的高级氧化技术在实际应用中仍受限，例如：芬顿反应通常在较窄的pH范围（pH＜3）时有效，并产生难以降解的赤泥，在实际应用中存在一定的安全隐患和较高的经济投资。过氧一硫酸盐或过氧二硫酸盐型AOPs体系产生高浓度硫酸根离子，可能被还原生成硫化氢，对微生物不利，且产生的自由基选择性低、半衰期短，在实际应用中存在障碍。因此需要开发新的AOPs体系，其中，基于高碘酸盐（PI，IO4−
）氧化的AOPs体系因其稳定性、运输和储存的安全性和环境友好性受到越来越多的关注。
[0003]但因高碘酸盐直接与有机污染物的反应速率有限，其动力学常数也较为缓慢，仅依靠自身激活来增强对污废水脱污应用前景惨淡。紫外光、过渡金属离子、碳材料、非均相金属催化剂等方法被有效应用到高碘酸盐的快速激活。相较而言，碳质材料具有成本低（无需能源投入，碳原料易得）、环境友好、比表面积大、电子结构可调、导电性好等优点，成为PI
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AOPs的理想催化剂之一。其中，氮化碳（g
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C3N4）本身主要成分为碳氮（绿色环保）、具有较宽的可见光效应区间，同时其热和化学性质均稳定，因此在环境催化系统中，特别是光催化体系中备受关注。
[0004]然而，单体氮化碳因其本身C
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N结构形成共轭平面且对称性高，因此采用单体氮化碳直接用于催化降解系统易于发生载流子分离效率低和二次重组问题，使得反应体系的催化活性受限，因此不适用于实际废水的脱污处理。因此，如何提高氮化碳材料的催化活性，高效去除有机废水中的有机污染物，且使氮化碳材料能持续循环使用是本领域技术人员的研究重点。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的就在于提供一种含氮空位氮化碳材料及其制备方法和应用，制备得到的含氮空位氮化碳材料的催化活性高，用于处理有机废水，能高效去除有机废水中的有机污染物，且氮化碳材料可持续性循环使用。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：一种含氮空位氮化碳材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将双氰胺放入加盖坩埚，然后置于在马弗炉内，并以0.5~2.5 ℃/min的升温速
率升温至450~650℃，再保温0.5~4 h，然后冷却至室温，得到不含氮空位的氮化碳材料，再研磨备用；（2）将步骤（1）得到的不含氮空位的氮化碳粉末置于管式炉中，在氮气气氛下，以0.5~2.5 ℃/min的升温速率升温至450~650 ℃，再保温0.5~8 h，即得到所述含氮空位氮化碳材料。
[0007]进一步地，步骤（2）中，升温至550 ℃，保温时间为2 h。
[0008]一种处理有机废水的方法，在可见光辅助下，采用前面制备得到的含氮空位氮化碳材料催化活化氧化剂降解有机废水中的有机污染物。
[0009]进一步地，所述氧化剂为高碘酸钠、过氧化氢、过硫酸钾和过一硫酸钾中的一种或多种。
[0010]进一步地，具体为：将含氮空位氮化碳材料投加到有机废水中，再向有机废水中投加氧化剂，然后在可见光辅助下降解废水中的有机污染物，从而除去废水中的有机污染物。
[0011]进一步地，所述有机废水中有机污染物浓度为2.5~20 mg/L。
[0012]进一步地，含氮空位氮化碳材料的投加量为0.05~0.25 g/L。
[0013]进一步地，所述高碘酸钠的投加量为0.01~2 mmol/L。
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术通过对不含氮空位的氮化碳进行二次煅烧得到含氮空位的氮化碳材料，通过调控二次煅烧温度和二次煅烧保温时间，可以获得不同氮空位含量的氮化碳材料。对于本专利技术的氮空位浓度调控，温度是首要因素，时间是次要因素，二次煅烧后N原子分数的下降表明，二次煅烧后可能会产生氮空位，通过对氮化碳进行缺陷设计，可以达到调节氮化碳内部电荷的重新分布，改变氮化碳材料表面微观结构以及产生新的电子激发轨道方向的效果，从而有效增强光电子的迁移能力。
[0015]同时，虽然氮空位能形成缺陷能级加速电荷分离，增强光吸收能力，但是如果氮空位含量过多，又会作为载流子二次重组中心，降低反应活性，所以需要合理控制二次煅烧温度和保温时间，本专利技术将二次煅烧温度控制在450~650℃，保温时间控制在0.5~8 h，能有效保证氮化碳材料的氮空位含量控制在合理范围，保证氮化碳材料的催化活性。
[0016]2、本专利技术的含氮空位氮化碳材料能催化活化氧化剂高效去除有机污水中的酚类、抗生素类及染料等有机污染物，且pH应用范围广，特别是催化活化高碘酸钠时，能产生高性能活性物种，如羟基自由基、单线态氧、空穴及超氧负离子等，加快有机污染物降解速率。
附图说明
[0017]图1
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实施例1制得的不含氮空位氮化碳材料和含氮空位氮化碳材料的物相表征结果。
[0018]图2
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实施例1制得的不含氮空位氮化碳材料和含氮空位氮化碳材料的ESR图谱。
[0019]图3
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实施例1制得的不含氮空位氮化碳材料和含氮空位氮化碳材料的扫描电子显微镜照片。
[0020]图4
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实施例1制得的不含氮空位氮化碳材料和含氮空位氮化碳材料的透射电子显微镜照片。
[0021]图5
‑
CN
‑
bulk、CN
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450、CN
‑
550和CN
‑
650的碳氮原子比。
[0022]图6
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不含氮空位氮化碳材料和不同二次煅烧温度得到含氮空位氮化碳材料活化高碘酸钠对双酚A的降解动力学曲线。
[0023]图7
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不同二次煅烧保温时间得到含氮空位氮化碳材料活化高碘酸钠对双酚A的降解动力学曲线。
[0024]图8
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实施例1制得的含氮空位氮化碳材料5次循环使用中30 min内活化高碘酸钠对双酚A的去除率。
[0025]图9
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实施例1制得的含氮空位氮化碳材料在无光照、无氧化剂或无催化剂条件下对双酚A去除率。
[0026]图10
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不同量高碘酸钠下的反应速率常数和双酚A去除率。
[0027]图11
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含氮空位氮化碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将双氰胺放入加盖坩埚，然后置于在马弗炉内，并以2.5 ℃/min的升温速率升温至550 ℃，再保温4 h，然后冷却至室温，得到不含氮空位的氮化碳材料，再研磨备用；（2）将步骤（1）得到的不含氮空位的氮化碳粉末置于管式炉中，在氮气气氛下，以0.5~2.5 ℃/min的升温速率升温至450~650 ℃，再保温0.5~8 h，即得到所述含氮空位氮化碳材料。2.根据权利要求1所述的一种含氮空位氮化碳材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，升温至550 ℃，保温时间为2 h。3.一种含氮空位氮化碳材料，其特征在于，采用权利要求1~2任一所述的一种含氮空位氮化碳材料的制备方法制备得到。4.一种处理有机废水的方法，其特征在于，在可见光辅助下，采用权利要求3所述的含氮空位氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈飞，方卓雅，孙伊姣，白昌伟，陈猷鹏，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：