CN104888837A - 一种具有可见光响应的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料的合成方法及应用 - Google Patents

一种具有可见光响应的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料的合成方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有可见光响应的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料的合成方法及应用,属于复合材料制备技术及光催化领域。本发明为解决现有氮化碳材料比表面积小,光生电子-空穴复合率高,太阳能利用率低等问题。该复合材料是以三聚氰胺和硝酸铁为原料,甲醇为溶剂,通过化学反应法和热处理法获得。制备得到的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料与氮化碳相比,拥有更大的光吸收范围,从紫外光区扩大到可见光区,大大提高了太阳能利用率,同时拥有更大的比表面积,光生电子空穴复合率低,在可见光下能够有效降解罗丹明B.本发明的优点在于制备工艺简单,原料成本价廉,可大规模生产,得到的复合材料比表面积大,太阳能利用率高,催化性能优异,具有良好的应用情景。

Description

一种具有可见光响应的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料的合成方法及应用
技术领域
[0001] 本发明涉及复合材料制备方法及光催化应用,尤其涉及氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料的制备方法及应用,属于复合材料制备技术及光催化领域。
背景技术
[0002] 工业废水中含有大量污染物,特别是印染行业中排放的污水中含有大量的有机染料,对人们的生活环境产生了巨大的影响。因而,需要研宄温和、廉价、物理化学性能稳定、光催化能力强的催化剂来降解水中的有机染料,以保障在工业生产的同时减少其对环境的破坏,进而实现经济可持续发展。
[0003] 由于存在环境和能源问题,寻找能够将太阳能转化为化学能的光催化剂迫在眉睫,合成在可见光区有响应的、简单、稳定、高效的光催化剂仍然是个巨大的挑战。二氧化钛由于其无毒,稳定,良好的光催化活性成为现阶段使用最为广泛的半导体光催化剂。然而,二氧化钛的吸收范围在紫外光区,而紫外光仅占进入大气层的太阳光能量的5%左右,对太阳能的利用率过低,虽然如今出现了许多改性过的二氧化钛复合材料,但是设计合成新型的光催化材料依旧十分重要。此项目对研宄新型光催化材料具有重要意义。
[0004] 氮化碳/金属氧化物复合材料是一种通过超分子作用以及金属离子与^C3N4配位作用形成的新型复合材料。它的前驱体聚合物半导体石墨相氮化碳拥有稳定的物理化学性能,很好的中等电子能带(2.7eV),成为一种十分吸引人的光催化材料,其无毒,价廉,稳定的特性使其能够应用在诸多领域,如光解水制氢,光催化降解染料,超级电容器等。然而,^C3N4也存在诸多缺点,例如光生电子-空穴对复合率高,太阳能利用率低,比表面积不大等。为了解决这个问题,需要对^C3N4进行改进。截至目前,还未见到利用超分子作用和配位作用,运用化学反应法和热处理法制备多孔氮化碳/三氧化二铁复合材料的相关工艺技术出现。
发明内容
[0005] 本发明为解决现有氮化碳比表面积低,太阳能利用率低,光生电子空穴复合率高等原因而导致光催化活性低的问题,提供了一种具有可见光响应的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料的光催化剂的合成方法及应用。
[0006] 本发明的一种具有可见光响应的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料的合成方法按以下步骤进行:
I)将三聚氰胺和硝酸铁粉末放入圆底烧瓶中,加入甲醇作为溶剂。将圆底烧瓶放于恒温磁力搅拌器中,反应时间为lh-3h,通过抽滤除去产物中的甲醇。
[0007] 2)将步骤I)制备的复合材料装入瓷舟中,放入管式炉,在氩气气氛中按1°C /min-4°C /min的升温速率由室温升温至400 °C -600 °C并恒温lh_3h。然后在氩气气氛中冷却至室温后得到氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料。
[0008] 所述的步骤I)中反应时间为lh_3h。
[0009] 所述的步骤I)中恒温磁力搅拌器的温度为75°C -80°C。
[0010] 所述的步骤2)中在氩气气氛下按管式炉升温速率为2°C /min。
[0011] 所述的步骤2)中将管式炉的温度由室温升至500°C。
[0012] 所述的步骤2)中温度在500°C下恒温3h。
[0013] 所述的步骤2)中氩气流速为60-80 cc/min。
[0014] 根据以上方法制备的一种具有可见光响应的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料应用于光催化降解染料污染物领域。
[0015] 本发明具有以下有益效果:
首次由三聚氰胺与硝酸铁通过超分子自组装制备得到具有可见光响应的纳米棒复合材料,本发明通过三氧化二铁和氮化碳形成异质结构降低光生电子-空穴复合率,同时复合材料将氮化碳的光吸收范围从紫外光区光提高到了可见光区,显著提高了材料的光催化活性,同时,本发明使用的原料三聚氰胺价格低廉,经过简单的化学反应法和热处理法就制备氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料。过程简单,制备方便,原料低价,形成的异质结构明显降低了光生电子空穴复合率,有效的提高了材料的光催化能力。
附图说明
[0016] 图1为试验二得到的扫描电镜(SEM)图图2为试验三得到的透射电镜(TEM)图
图3为试验四得到的光降解活性图图4为试验五得到的催化剂循环使用图
具体实施方式
[0017] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0018] 实施例1氮化碳/三氧化二铁复合材料的制备
将2.5g三聚氰胺和8.0g硝酸铁粉末放入圆底烧瓶中,同时以200ml甲醇为溶剂。将圆底烧瓶放于恒温磁力搅拌器中,反应3h,过滤得到先驱体,将制备的材料装入瓷舟中,放入管式炉中在氩气气氛中按1°C /min的升温速率由室温升温至400°C并恒温3h,氩气流速为60cc/min。冷却至室温后得到氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料。
[0019] 实施例2氮化碳/三氧化二铁复合材料的制备
将2.5g三聚氰胺和8.0g硝酸铁粉末放入圆底烧瓶中,同时以200ml甲醇为溶剂。将圆底烧瓶放于恒温磁力搅拌器中,反应3h,过滤得到先驱体,将制备的材料装入瓷舟中,放入管式炉中在氩气气氛中按2°C /min的升温速率由室温升温至500°C并恒温3h,氩气流速为70 cc/min。冷却至室温后得到氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料。
[0020] 实施例3氮化碳/三氧化二铁复合材料的制备
将2.5g三聚氰胺和8.0g硝酸铁粉末放入圆底烧瓶中,同时以200ml甲醇为溶剂。将圆底烧瓶放于恒温磁力搅拌器中,反应3h,过滤得到先驱体,将制备的材料装入瓷舟中,放入管式炉中在氩气气氛中按3°C /min的升温速率由室温升温至550°C并恒温3h,氩气流速为80 cc/min。冷却至室温后得到氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料。
[0021] 实施例4氮化碳/三氧化二铁复合材料的制备
将2.5g三聚氰胺和8.0g硝酸铁粉末放入圆底烧瓶中,同时以200ml甲醇为溶剂。将圆底烧瓶放于恒温磁力搅拌器中,反应3h,过滤得到先驱体,将制备的材料装入瓷舟中,放入管式炉中在氩气气氛中按1°C /min的升温速率由室温升温至500°C并恒温3h,氩气流速为65 cc/min。冷却至室温后得到氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料。
[0022] 本实施方式的原料均为市售分析纯原料。
[0023] 实施例5:本实施方式的一种具有可见光响应的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料应用于可见光降解染料污染物领域。
[0024] 用以下试验证明本发明的有益效果。
[0025] 试验一:将2.5g三聚氰胺和8.0g硝酸铁粉末放入圆底烧瓶中,同时以200ml甲醇为溶剂。将圆底烧瓶放于恒温磁力搅拌器中,反应3h,过滤得到先驱体,将制备的材料装入瓷舟中,放入管式炉中在氩气气氛中按I°C /min的升温速率由室温升温至500°C并恒温2h,氩气流速为60cc/min。冷却至室温后得到纳米多孔氮化碳/三氧化二铁复合材料。
[0026] 试验二:采用扫描电子显微镜对试验一制得的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料进行电镜扫描得到如图一所示的氮化碳/三氧化二铁复合材料SEM图,从图一可以看出试验一制得的氮化碳/三氧化二铁复合材料为纳米棒,表面有三氧化二铁。
[0027] 试验三:采用透射电子显微镜对试验一制得的氮化碳/三氧化二铁复合材料进行电镜扫描得到如图二所示的氮化碳/三氧化二铁复合材料TEM图,从图二可以看出氮化碳/三氧化二铁复合材料为纳米棒。
[0028] 试验四:利用试验一制备的氮化碳/三氧化二铁复合材料降解罗丹明B,以石墨相氮化碳和三氧化二铁为对照组,具体过程如下:
称取40mg试验一制得氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料,分散于50ml浓度为10mg/L的罗丹明B中,放入光反应仪中避光搅拌半小时,达到催化剂与罗丹明B吸附-脱附平衡,以350w的氙灯为光源,进行光降解染料反应。
[0029] 称取40mg石墨相氮化碳,分散于50ml浓度为10mg/L的罗丹明B中,放入光反应仪中避光搅拌半小时,达到催化剂与罗丹明B吸附-脱附平衡,以350w的氙灯为光源,进行光降解染料反应。
[0030] 称取40mg三氧化二铁,分散于50ml浓度为10mg/L的罗丹明B中,放入光反应仪中避光搅拌半小时,达到催化剂与罗丹明B吸附-脱附平衡,以350w的氙灯为光源,进行光降解染料反应。
[0031] 每隔五分钟取Iml反应液,离心后用Hitachi U-2900紫外分光光度计测其吸光度,得到如图三所示的光降解曲线图,其中黑色曲线为石墨相氮化碳,红色为试验一制得的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料,绿色曲线为三氧化二铁,由图三可以看出,20分钟罗丹明B降解率为100%,高出石墨相氮化碳和三氧化二铁很多。
[0032] 试验五:将试验五中的氮化碳/三氧化二铁复合材料离心干燥,分散于50ml浓度为10mg/L的罗丹明B中,放入光反应仪中避光搅拌半小时,达到催化剂与罗丹明B吸附-脱附平衡,以350w的氙灯为光源,进行光降解染料反应。每隔五分钟取Iml反应液离心后用Hitachi U-2900紫外分光光度计测其吸光度,如此重复两次得到如图四所示的光催化降解重复性曲线图。从图四可以看出,氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料重复性很好,光催化活性几乎保持不变。

Claims (5)

1.一种具有可见光响应的氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料的合成方法,其特征在于,包括以下步骤: 1)将三聚氰胺和硝酸铁粉末放入圆底烧瓶中,加入甲醇作为溶剂;将圆底烧瓶放于恒温磁力搅拌器中,反应时间为lh-3h,通过抽滤去除甲醇; 2)将步骤I)制备的产物装入瓷舟中,放入管式炉,在氩气气氛中按1°C /min-4°C /min的升温速率由室温升温至400°C _600°C并恒温lh-3h,然后在氩气气氛中冷却至室温后得到氮化碳/三氧化二铁纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的合成方法,其特征在于:步骤I)中恒温磁力搅拌器的温度为75 0C -80 °C。
3.根据权利要求1所述的合成方法,其特征在于:步骤2)中在氩气气氛下按管式炉升温速率为2V /min。
4.根据权利要求1所述的合成方法,其特征在于:步骤2)中温度在500°C下恒温3h。
5.根据权利要求1所述的合成方法,其特征在于:步骤2)中氩气流速为60-80 cc/mino
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