CN105148975B - 一种钾掺杂介孔g‑C3N4光催化材料在降解有机染料废水中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钾掺杂介孔g‑C3N4光催化材料在降解有机染料废水中的应用，属于光催化材料技术领域。该光催化材料的制备包括如下步骤：将三聚氰胺和KI充分研磨后平铺于坩埚底部，将SBA‑15均匀的分散在三聚氰胺和KI混合物的上面，然后将坩埚加盖后置于马弗炉内进行煅烧，产物经处理后即得所述钾掺杂介孔g‑C3N4光催化材料。该光催化材料比表面积大使得反应活性位点增加，钾掺杂后可有效抑制光生电子和空穴的复合，表现出更优异的光催化性能。本发明钾掺杂介孔g‑C3N4光催化材料可降解有机染料废水，在60min能降解80％以上的目标降解物，显示了优异的光催化活性。
Description
技术领域
本发明属于光催化材料技术领域，具体涉及一种介孔光催化材料的制备方法及其应用，特别涉及一种钾掺杂介孔g-C3N4光催化剂的制备方法及其应用。
背景技术
我国目前每年需要排放大量的工业废水(如石化废水、印染废水、制药废水)，这些废水和污水成分复杂，如合成洗涤剂、有机氯农药、多氯联苯(PCBs)、多环芳烃(PAHs)、偶氮类有机污染物等，它们的可生化性较差，且大多具有致癌作用，危及人类的的身体健康。此时，常用的生物处理技术很难将其去除，甚至这些毒性物质的引入还可能引起微生物中毒，导致生物处理系统的崩溃。因此，治理工业废水势在必行。
g-C3N4是一种具有层状结构的聚合物半导体，由于其禁带宽度为2.7eV左右，在可见光区有吸收(λ>420nm)，且具有优异的光化学稳定性，在光解水制氢和有机污染物的降解等方面有广泛的应用前景。然而，g-C3N4的比表面积小、光生电子和空穴极易复合造成其光催化降解有机污染物的效率并不高。为了解决这个问题，相关研究人员采用掺杂或者与其他半导体材料复合的方法，或者采用提高比表面积的方法，但合成过程比较繁琐，不利于环境保护和大规模制备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种钾掺杂介孔g-C3N4光催化剂的制备方法及其在降解有机污染物方面的应用。
本发明提供了一种钾掺杂介孔g-C3N4光催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将经研磨后的三聚氰胺和KI混合平铺于坩埚底部，将SBA-15均匀的分散在三聚氰胺和KI混合物的上面；所述KI与三聚氰胺的质量比为1：3～7，所述 SBA-15与三聚氰胺和KI混合物的质量比为2～4∶1；
(2)将坩埚加盖后置于马弗炉内以10℃/min的升温速率升至320℃保温4h，然后以2℃/min的升温速率升至550℃保温4h，而后自然冷却降至室温，所得产物用5％氢氟酸除去模板，然后经洗涤、干燥后获得钾掺杂介孔g-C3N4光催化材料。
上述制备的钾掺杂介孔g-C3N4光催化材料可在降解有机染料废水领域加以应用。
与现有技术相比较，本发明具有以下技术效果：
1、本发明采用化学气相沉积法一步制备，制备过程简单，有利于环境保护和大规模应用；
2、本发明中钾掺杂介孔g-C3N4光催化材料比表面积大使得反应活性位点增加，钾掺杂后可有效抑制光生电子和空穴的复合，表现出更优异的光催化性能；
3、本发明钾掺杂介孔g-C3N4光催化材料可降解有机染料废水，该光催化材料在60min能降解80％以上的目标降解物，显示了优异的光催化活性。
附图说明
图1为制得的g-C3N4、不同比例钾掺杂介孔g-C3N4的XRD图片。
图2为制得的钾掺杂介孔g-C3N4的小角XRD图片。
图3为制得的钾掺杂介孔g-C3N4的氮气吸附-脱附曲线。
图4为制得的钾掺杂介孔g-C3N4的孔径分布图。
图5为不同催化剂对罗丹明的光催化氧化降解图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下的实施例。
本发明的优选实施例详述如下：
一、SBA-15的制备
根据赵东元等在J.Am.Chem.Soc.Vol.120(1998)pp.6024-6036中的报道，SBA-15的制备方法如下：4.0g的P123溶解在30g水和120g盐酸(2M)中，混合溶液在35℃搅拌2.5h。再加入8.50g的TEOS，继续搅拌20h。然后将混合物放入80℃烘箱静置24h。混合物过滤，水洗，室温干燥。通过索氏提取器萃取去除孔道中的表面活性剂，用HCl(37wt％水溶液)/EtOH(VHCl/EtOH＝1.5/98.5)作为萃取液。
二、钾掺杂介孔g-C3N4的制备
实施例1：20％钾掺杂介孔g-C3N4的制备
分别称取5g三聚氰胺和1.66g KI，充分研磨后，称取该混合物3.0g放入刚玉坩埚底部，然后将10.0g的SBA-15均匀的分散在三聚氰胺和KI混合物的上面。将坩埚盖好后放入马弗炉中煅烧。以10K/min的升温速率升至320℃保温4小时，在这个过程中，三聚氰胺和KI的混合物将会蒸发至介孔材料SBA-15的孔道里，然后以2K/min的升温速率升至550℃保温4小时，然后自然冷却降至室温。所得产物用5％氢氟酸除去模板，然后经经去离子水、乙醇充分洗涤后至pH值为7,于60℃干燥5h,获得介孔K掺杂C3N4。
XRD分析显示(图1)，所制备的钾元素已经进入C3N4的晶格中，XRD(002)衍射峰位由27.2移动到28.0，说明(002)的晶面间距逐渐减小。小角XRD(图2)分析显示材料存在长程有序结构。所制备的钾掺杂g-C3N4的氮气吸附脱附曲线(图3)显示为Ⅳ型曲线，具有H3滞后环，属于典型的介孔材料，BET比表面积约为392.1m2/g。孔径分析(图4)显示孔径较均一，平均孔径为5.28nm。
实施例2：10％钾掺杂介孔g-C3N4的制备
分别称取5g三聚氰胺和0.73g KI，充分研磨后，称取该混合物3.0g放入刚玉坩埚底部，然后将10.0g的SBA-15均匀的分散在三聚氰胺和KI混合物的上面。将坩埚盖好后放入马弗炉中煅烧。以10K/min的升温速率升至320℃保温4小时，在这个过程中，三聚氰胺和KI的混合物将会蒸发至介孔材料SBA-15的孔道里，然后以2K/min的升温速率升至550℃保温4小时，然后自然冷却降 至室温。所得产物用5％氢氟酸除去模板，然后经经去离子水、乙醇充分洗涤后至pH值为7,于60℃干燥5h,获得介孔K掺杂C3N4。
实施例3：10％钾掺杂介孔g-C3N4的制备
分别称取5g三聚氰胺和0.73g KI，充分研磨后，称取该混合物3.0g放入刚玉坩埚底部，然后将6.0g的SBA-15均匀的分散在三聚氰胺和KI混合物的上面。将坩埚盖好后放入马弗炉中煅烧。以10K/min的升温速率升至320℃保温4小时，在这个过程中，三聚氰胺和KI的混合物将会蒸发至介孔材料SBA-15的孔道里，然后以2K/min的升温速率升至550℃保温4小时，然后自然冷却降至室温。所得产物用5％氢氟酸除去模板，然后经经去离子水、乙醇充分洗涤后至pH值为7,于60℃干燥5h,获得介孔K掺杂C3N4。
三、采用钾掺杂介孔g-C3N4降解有机废水的效果表征
实施例4：利用钾掺杂g-C3N4降解有机废水的过程及效果，由本实施例予以详细说明。
在本实施例中，有机废水的氧化降解过程如下：
采用光催化剂钾掺杂介孔g-C3N4进行有机染料废水的降解，处理对象是浓度为5mg/L的罗丹明B水溶液200mL，往反应器加入0.2g钾掺杂g-C3N4，在无光条件下搅拌30min，使溶液中罗丹明与光催化剂表面达到吸-脱附达到平衡，然后打开500W氙灯，进行光催化氧化反应。每隔5min取样，每次取样5mL，用紫外-可见分光光度计测试在最大波长的吸光度值，通过吸光度值的变化计算出罗丹明溶液的降解率。
对比例1
采用加入光催化剂g-C3N4进行有机染料废水的降解，处理对象是浓度为5mg/L的罗丹明B水溶液200mL，往反应器中加入0.2g g-C3N4，其它条件同实施例4。
对比例2
采用加入介孔g-C3N4进行有机染料废水的氧化降解，处理对象是浓度为5mg/L的罗丹明B水溶液200mL，往反应器加入0.2g介孔g-C3N4，其它条件同实施例4。
本实施方式制备钾掺杂介孔g-C3N4解罗丹明的性能如图5所示，由图5可见：钾掺杂后使得介孔g-C3N4光催化降解罗丹明的性能有了很大的提高，在60分钟时对罗丹明B降解率可达到80％，与介孔g-C3N4相比降解率提高了27％，与g-C3N4相比提高了60％。
Claims (1)
1.一种钾掺杂介孔g-C3N4光催化材料在降解有机染料废水中的应用，其特征在于，该光催化材料是通过如下步骤予以制备的：
(1)将经研磨后的三聚氰胺和KI混合平铺于坩埚底部，将SBA-15均匀的分散在三聚氰胺和KI混合物的上面；所述KI与三聚氰胺的质量比为1：3～7，所述SBA-15与三聚氰胺和KI混合物的质量比为2～4∶1；
(2)将坩埚加盖后置于马弗炉内以10℃/min的升温速率升至320℃保温4h，然后以2℃/min的升温速率升至550℃保温4h，而后自然冷却降至室温，所得产物用5％氢氟酸除去模板，然后经洗涤、干燥后获得钾掺杂介孔g-C3N4光催化材料。
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