CN105642332A - 一种g-C3N4/TiO2复合光催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种g-C3N4/TiO2复合光催化剂，具有弧度的片状结构，所述片状结构是经中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂破碎得到；所述中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂分为内侧光催化剂和外侧光催化剂，所述内侧光催化剂为TiO2，外侧光催化剂为g-C3N4，该复合光催化剂提高光生电子-空穴的利用率，提高光催化剂的量子效率，延长光催化剂的使用寿命，其制备方法简单、方便、低成本、条件温和、有利于大规模制备。
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g-C3N4/TiO2复合光催化剂及其制备方法。
背景技术
光催化技术是一种环境友好型技术，光催化材料能够利用太阳光分解水制氢获得可再生能源，此外还可以应用于环境净化，解决人类发展所面临的能量与环境问题。二氧化钛作为一种半导体光催化剂，具有无毒、廉价、无二次污染的优点，其在环境污染降解、光分解水制氢等领域有广泛的应用前景。
但是二氧化钛具有较大的禁带宽度，锐钛矿相的二氧化钛为3.2eV，只能波长小于387nm以下的紫外光才能激发其催化活性，而这一波段只占到达地面的太阳光中5％，严重限制了对太阳光的利用率，因此如何拓宽二氧化钛光催化剂光谱响应范围成为人们研究的一个重点。通过将TiO2与其他可见光响应型光催化剂复合可以拓展TiO2的光吸收，半导体之间的复合也有利于光生电子和空穴的传输，从而提高光催化剂的效率。传统的复合型半导体光催化剂在制备过程中经常产生包裹的现象，即两种光催化剂互相包裹，这种结构虽然可以促进光生电子与空穴的分离但是严重制约了光生电子和空穴在宏观距离上的传输，光生电子和空穴产生积累不能被有效利用，从而使光催化剂的活性、稳定性受到影响。基于这样的想法，我们设计了一种优异的结构，使得两种半导体材料都能够暴露和介质发生接触，从而消耗掉光生电子和空穴，提高光催化剂的稳定性。
发明内容
本发明提供一种g-C3N4/TiO2复合光催化剂，使得催化剂的内侧和外侧为不同的光催化剂，提高光生电子-空穴的利用率，提高光催化剂的量子效率，延长光催化剂的使用寿命，其制备方法简单、方便、低成本、条件温和、有利于大规模制备。
本发明采用的技术方案为：
一种g-C3N4/TiO2复合光催化剂，\具有弧度的片状结构，所述片状结构是经中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂破碎得到；所述中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂分为内侧光催化剂和外侧光催化剂，所述内侧光催化剂为TiO2，外侧光催化剂为g-C3N4。
所述的g-C3N4/TiO2复合光催化剂制备方法，包括以下步骤：
1)将含有钛源的溶液B加入到含有PS球的溶液A中，通过搅拌制得具有核壳结构的TiO2PS球；
2)将TiO2PS球的超声分散溶液C，加入到g-C3N4超声分散溶液D中，通过搅拌制得具有核壳结构的g-C3N4TiO2PS球；
3)将g-C3N4TiO2PS球在烘箱中烘干后，放于马弗炉中焙烧，去掉PS球，得到中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂；
4)将中空微球状g-C3N4TiO2复合光催化剂进行研磨得到有弧度的碎片状g-C3N4/TiO2复合光催化剂。
所述的制备方法，步骤1)中含有钛源的溶液B为钛酸四正丁酯、三乙醇胺和无水乙醇的混合溶液。
所述的制备方法，步骤1)中含有PS球的溶液A为表面显负电性的PS球和无水乙醇的悬浮液，具体为将PS球超声分散于无水乙醇中，超声分散1h后，再向其加入氨水。
所述的制备方法，步骤2)中TiO2PS球的超声分散溶液C为TiO2PS球和甲醇的超声悬浮液；步骤2)中g-C3N4超声分散溶液D为g-C3N4和甲醇的超声悬浮液。
所述的制备方法，步骤3)中将g-C3N4TiO2PS球在烘箱中于100—120℃下烘干2—3h；步骤3)马弗炉温度为400—500℃，焙烧时间为1—2h。
所述的制备方法，所述g-C3N4/TiO2复合光催化剂中g-C3N4与TiO2的质量比为1.5:1-2:1。
一种所述的g-C3N4/TiO2复合光催化剂在降解小分子有机物中的应用。
所述的应用，在可见光照射下，将g-C3N4/TiO2复合光催化剂放在含有异丙醇气体的密闭空间中，可将异丙醇降解为丙酮和二氧化碳气体。
本发明具有以下有益效果：
石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种非金属N型半导体，由于其具有良好的化学稳定性、热学稳定性以及光电特性而受到人们的广泛关注，其禁带宽度为2.7eV，可以吸收波长小于450nm的可见光，但是其光生电子-空穴易复合，量子效率低。为了拓宽TiO2的光谱响应范围，本发明将TiO2和与其能级匹配的g-C3N4相复合，利用两种半导体之间的能级差能使光生载流子由一种半导体微粒的能级注入到另一种半导体的能级上，使光生电子-空穴有效分离，提高TiO2光催化剂太阳能利用率以及两种半导体光量子效率。TiO2光催化剂的导带电势ECB＝-0.4eV,价带电势EVB＝2.8eV，而g-C3N4光催化剂的导带电势ECB＝-1.2eV，价带电势EVB＝1.5eV。在g-C3N4/TiO2复合光催化剂中，g-C3N4导带的电势更负，光生电子容易从能级低的g-C3N4导带迁移到能级高的TiO2导带上，同时TiO2的价带电势更正，光生空穴容易从能级高的TiO2价带迁移到能级低g-C3N4价带上，从而提高光生电荷的分离效率，提高TiO2的光谱范围。
本发明利用上述原理将复合光催化剂制备成具有弧度的片状结构，且内侧和外侧为两种不同的光催化剂，制备方法为借助PS球模板将TiO2、g-C3N4进行层层包覆，之后通过焙烧去掉PS球，得到中空结构，再将此结构通过研磨即可得到有弧度的碎片状复合光催化剂。该复合光催化剂可以使两种光催化剂都暴露出来，有利于光生电子空穴都被利用，延长催化剂的寿命，该制备方法低成本、简单、方便、可以大规模制备，片的厚度可控。
附图说明
图1为所用PS球SEM图。
图2为例1中步骤2)得到的具有核壳结构的g-C3N4TiO2PS球。
图3为例1中步骤3)得到的中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂。
图4为例1中步骤4)得到的有弧度的碎片状g-C3N4/TiO2复合光催化剂。
图5为例2中步骤2)得到的具有核壳结构的g-C3N4TiO2PS球。
图6为例2中步骤3)得到的中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂。
图7为例2中步骤4)得到的有弧度的碎片状g-C3N4/TiO2复合光催化剂。
图8为实施例1和2制备的g-C3N4/TiO2复合光催化剂与传统方法制备的g-C3N4在光催化降解异丙醇气体的活性对比图。
具体实施方式
聚苯乙烯纳米微球
取8ml除去阻聚剂的苯乙烯于三口烧瓶中，加入120ml去离子水，在搅拌的情况下通入氮气30min隔绝空气，之后将三口烧瓶置于水浴锅内缓慢升温至70度，加入0.3g的过硫酸钾，70度保温24h后将沉淀离心洗涤，分离出的沉淀即为直径为600nm的聚苯乙烯纳米微球(PS球)。
将上述制备的PS球进行SEM测试，结果如图1所示，图1可以明显看出制备的PS球尺寸均一，分散性好，PS球直径约为600nm。
实施例1一种g-C3N4/TiO2复合光催化剂(g-C3N4与TiO2质量比为2:1)
制备方法如下：
1)将3g钛酸四正丁酯、0.2g三乙醇胺和20ml无水乙醇混合，记作溶液B；将0.5gPS球超声分散于60ml无水乙醇中，超声分散1h，再向其中加入0.5ml氨水，记为溶液A；然后将搅拌至透明的溶液B逐滴滴加到溶液A中，搅拌2h制得具有核壳结构的TiO2PS球；
2)将1)中得到TiO2PS球分散于60ml甲醇溶液中，记作溶液C；将1.4gg-C3N4超声分散于200ml甲醇溶液中，记作溶液D；将超声1h的溶液C逐滴滴加入已超声分散1h的溶液D中，通过搅拌24h制得具有核壳结构的g-C3N4TiO2PS球；
3)将2)中得到的g-C3N4TiO2PS球在烘箱中100-120℃，2h烘干，之后放于马弗炉中500℃，焙烧2h，去掉PS球，得到中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂；
4)将3)中得到的中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂进行研磨得到有弧度的碎片状的g-C3N4/TiO2复合光催化剂。
将步骤2)得到样品进行SEM测试，结果如图2所示，从图中可以看出样品具有球状结构，直径约为1400nm；将步骤3)得到样品进行SEM测试，结果如图3所示，从图中一破裂的小球可以看出，样品为中空微球；将步骤4)得到样品进行SEM测试，结果如图4所示，从图中可以看出样品为有弧度的片状，厚度约为200nm。
将本实施例1制备的g-C3N4/TiO2复合光催化剂进行光催化剂材料性能测试。测试过程为：以300W氙灯为光源，分别将上述制备的0.18g复合光催化剂(g-C3N4与TiO2质量比为2:1)、传统方法制备的g-C3N4放于4cm2玻璃槽中，将载有光催化剂的玻璃槽放入内含一个大气压空气的224ml反应器中，最后向反应器中注入8μl异丙醇液体，静置3小时使系统吸附-脱附平衡，然后在可见光照射下降解异丙醇。如图8所示，以上方法制备的光催化剂(2:1)60min降解异丙醇量为g-C3N4的2倍。
实施例2一种g-C3N4/TiO2复合光催化剂(g-C3N4与TiO2的质量比为1.5:1)
制备方法如下：
1)将3g钛酸四正丁酯、0.2g三乙醇胺和20ml无水乙醇混合，记作溶液B；将0.5gPS球超声分散于60ml无水乙醇中，超声分散1h，再向其中加入0.5ml氨水，记为溶液A；然后将搅拌至透明的溶液B逐滴滴加到溶液A中，搅拌2h制得具有核壳结构的TiO2PS球；
2)将1)中得到TiO2PS球分散于60ml甲醇溶液中，记作溶液C；将1.05gg-C3N4超声分散于200ml甲醇溶液中，记作溶液D；将超声1h的溶液C逐滴滴加入已超声分散1h的溶液D中，通过搅拌24h制得具有核壳结构的g-C3N4TiO2PS球；
3)将2)中得到的g-C3N4TiO2PS球在烘箱中100-120℃，2h烘干，之后放于马弗炉中500℃，焙烧2h，去掉PS球，得到中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂；
4)将3)中得到的中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂进行研磨得到有弧度的碎片状的g-C3N4/TiO2复合光催化剂。
将步骤2)得到的样品进行SEM测试，结果如图5所示，从图中可以看出样品为球状结构，直径约为1000nm；将步骤3)得到的样品进行SEM测试，结果如图6所示，从图中破裂球可以看出样品为中空微球；将步骤4)得到样品进行SEM测试，结果如图7所示，从图中可以看出样品为有弧度的碎片状，厚度约为120nm。
将本实施例2制备的复合光催化剂进行光催化剂材料性能测试。测试过程为：以300W氙灯为光源，分别将上述制备的0.18g复合光催化剂(g-C3N4与TiO2的质量比为1.5:1)、传统方法制备的g-C3N4放于4cm2玻璃槽中，将载有光催化剂的玻璃槽放入内含一个大气压空气的224ml反应器中，最后向反应器中注入8μl异丙醇液体，静置3小时使系统吸附-脱附平衡，然后在可将光照射下降解异丙醇。如图8所示，以上方法制备的光催化剂(1.5:1)60min降解异丙醇量为g-C3N4的2.5倍。
Claims (9)
1.一种g-C3N4/TiO2复合光催化剂，其特征在于，具有弧度的片状结构，所述片状结构是经中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂破碎得到；所述中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂分为内侧光催化剂和外侧光催化剂，所述内侧光催化剂为TiO2，外侧光催化剂为g-C3N4。
2.一种权利要求1所述的g-C3N4/TiO2复合光催化剂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将含有钛源的溶液B加入到含有PS球的溶液A中，通过搅拌制得具有核壳结构的TiO2PS球；
2)将TiO2PS球的超声分散溶液C，加入到g-C3N4超声分散溶液D中，通过搅拌制得具有核壳结构的g-C3N4TiO2PS球；
3)将g-C3N4TiO2PS球在烘箱中烘干后，放于马弗炉中焙烧，去掉PS球，得到中空微球状g-C3N4/TiO2复合光催化剂；
4)将中空微球状g-C3N4TiO2复合光催化剂进行研磨得到有弧度的碎片状g-C3N4/TiO2复合光催化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中含有钛源的溶液B为钛酸四正丁酯、三乙醇胺和无水乙醇的混合溶液。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中含有PS球的溶液A为表面显负电性的PS球和无水乙醇的悬浮液，具体为将PS球超声分散于无水乙醇中，超声分散1h后，再向其加入氨水。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中TiO2PS球的超声分散溶液C为TiO2PS球和甲醇的超声悬浮液；步骤2)中g-C3N4超声分散溶液D为g-C3N4和甲醇的超声悬浮液。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中将g-C3N4TiO2PS球在烘箱中于100—120℃下烘干2—3h；步骤3)马弗炉温度为400—500℃，焙烧时间为1—2h。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述g-C3N4/TiO2复合光催化剂中g-C3N4与TiO2的质量比为1.5:1-2:1。
8.一种权利要求1所述的g-C3N4/TiO2复合光催化剂在降解小分子有机物中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，在可见光照射下，将g-C3N4/TiO2复合光催化剂放在含有异丙醇气体的密闭空间中，可将异丙醇降解为丙酮和二氧化碳气体。
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