CN106552660A - 一种高比表面积g‑C3N4光催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高比表面积g‑C3N4光催化剂的制备方法。首先将尿素置于乙醇‑水体系经过重结晶处理，然后将重结晶的产物烘干，放入马弗炉中在空气气氛下进行煅烧，即得所述高比表面积的g‑C3N4光催化剂。本发明提供的高比表面积g‑C3N4光催化剂的制备方法具有简单易控、操作方便、重复性好、成本低、原料绿色无污染等优点，有效地提高了g‑C3N4的比表面积，具有良好的应用前景和潜在实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种高比表面积g-C3N4光催化剂材料的制备方法，属于光催化材料及其制备技术领域。
背景技术
g-C3N4是一种廉价、稳定、非金属聚合物半导体，可以吸收太阳光谱中波长小于475nm的蓝紫光，即在可见光区有吸收。由于其优异的化学稳定性和独特的电子能带结构，g-C3N4被认为在解决能源短缺和环境污染等问题方面具有重要的应用前景。光催化剂表面结构对于表面反应动力学过程及半导体光生载流子的分离效率有着至关重要的作用，比表面积的提高可以使光催化性能大幅度增强。
本发明制备出的g-C3N4与已有文献报道[Yuewei Zhang，Jianghai Liu，Guan Wuand Wei Chen.Porousgraphitic carbon nitride synthesized via directpolymerization of urea for efficient sunlight-driven photocatalytic hydrogenproduction.Nanoscale，2012，4，5300-5303.]直接用尿素制备的g-C3N4比表面积增大了2.49～2.67倍。
目前文献报道的软/硬模板法优化g-C3N4的纳米结构，制备出的多孔g-C3N4虽然具有很大的比表面积和良好的催化性能，但是在合成的过程中都需要使用强酸或强碱去除模板剂，方法繁琐、制备周期长且污染环境。因此，寻求制备高比表面积、低成本、绿色无污染的g-C3N4光催化材料具有挑战性。而通过简单、绿色的重结晶方法处理尿素，再进行煅烧制备高比表面积g-C3N4材料还未见相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单易行、合成条件温和、成本低的制备高比表面积g-C3N4光催化材料的方法。
本发明所提供的一种高比表面积g-C3N4光催化剂的制备方法，包括如下具体步骤：
(1)称取尿素颗粒置于50mL圆底烧瓶，依次加入无水乙醇和去离子水，加入磁子适当摇匀；
(2)将(1)形成的过饱和尿素溶液，置于水浴锅中连接回流冷凝装置，接通冷凝水，磁力搅拌，加热回流；
(3)待步骤(2)结束后，将透明尿素溶液直接倒入50mL热烧杯中，使其自然冷却结晶；
(4)待混合溶液冷却至室温25～30℃，晶体不再生长，进行抽滤，并用少量冰无水乙醇洗涤，收集晶体，烘干；
(5)称取(4)收集的尿素产物，置于坩埚中，放入马弗炉中经煅烧、恒温、自然冷却处理，即得高比表面积g-C3N4光催化剂。
上述制备方法中，步骤(1)无水乙醇和去离子水的体积比为20∶1～10∶1，具体可为20∶1、15∶1、10∶1。
上述制备方法中，步骤(2)水浴锅升温速率为1.37～1.75℃/min，具体可为1.7℃/min；回流温度为80～90℃，具体可为85℃；回流时间为20～30min，具体可为20min。
上述制备方法中，步骤(3)50mL烧杯温度为60～70℃，具体可为70℃。
上述制备方法中，步骤(4)尿素产物晶体烘干温度为50～60℃，具体可为50℃；烘干时间为30～60min，具体可为30min。
上述制备方法中，步骤(5)在空气氛围下，置于马弗炉分段进行加热升温、恒温、自然冷却的处理，其中马弗炉升温速率为15～20℃/min，具体可为16.5℃/min；加热温度设置为350～600℃，具体可分别设为400和550℃；加热恒温时间为1～4h，具体可两段时间各为2h。
本发明还进一步提供了由上述方法制备的高比表面积g-C3N4光催化剂材料，所述g-C3N4光催化剂的比表面积为173.096～186.068m2/g，平均孔径为208.7～364.6nm。
本发明提供的高比表面积g-C3N4具有良好的光催化降解污染物活性；本发明提供的制备方法，其原料廉价、工艺简单、无毒无污染。本发明提供的高比表面积g-C3N4既是一种良好的载体，又是一种非金属半导体光催化剂。
附图说明
图1为实施例1制备的高比表面积g-C3N4与普通g-C3N4的XRD图。
表1为实施例1和2制备的高比表面积g-C3N4与普通g-C3N4的孔径分布表。
图2为实施例2制备的高比表面积g-C3N4与普通g-C3N4的扫描电镜对比图。
具体实施方式
本发明下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
本发明下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明下述实施例中所使用的初始反应物为市售分析纯的尿素、无水乙醇，去离子水为自制。
本发明下述施实例中，采用日本理学株式会社MiniFlex 600型X射线衍射仪(XRD)(Cu Kα射线， 电压为40kV，电流为30mA)测试所制备高比表面积g-C3N4的晶型结构；采用美国Micromeritics ASAP 2020型全自动化学吸附仪测定所制备g-C3N4的比表面积(BET)和孔分布；采用德国卡尔蔡司SUPRA 55 Sapphire型场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)测试所制备g-C3N4的形貌。
实施例1
称取10g尿素于50mL圆底烧瓶中，依次加入30mL无水乙醇、1.5mL去离子水，加入磁子适当震荡混合，然后连接回流装置，接通冷凝水，水浴加热至85℃，升温速率为1.4℃/min，在85℃回流20min。趁热将溶液倒入70℃热烧杯中，自然冷却至室温25～30℃，经过抽滤、冰无水乙醇洗涤、50℃烘干收集，即获得重结晶尿素产物。称量30g重结晶尿素产物于陶瓷坩埚(加盖煅烧)，并放入马弗炉中，在空气氛围下开始升温加热，加热参数如下：设置从室温升温至400℃，升温速率为16.5℃/min；在400℃下恒温1.5小时；从400℃升温到550℃，升温速率为16.5℃/min；在550℃下恒温2小时。自然冷却后，将样品研磨，所得粉末即为高比表面积g-C3N4光催化剂材料。
如图1所示，本发明实施制备的高比表面积g-C3N4与普通g-C3N4的XRD图，由图1知，2θ为13.2°和27.5°分别对应g-C3N4的(100)和(002)晶面。
实施例2
称取10g尿素于50mL圆底烧瓶中，依次加入30mL无水乙醇、1.5mL去离子水，加入磁子适当震荡混合，然后连接回流装置，接通冷凝水，水浴加热至85℃，其升温速率为1.65℃/min，在85℃回流20min。趁热将溶液倒入70℃热烧杯中，自然冷却至室温25～30℃，经过抽滤、冰无水乙醇洗涤、50℃烘干收集，即获得重结晶尿素产物。称量30g重结晶尿素产物于陶瓷坩埚(加盖煅烧)，并放入马弗炉中，在空气氛围下开始升温加热，加热参数如下：设置从室温升温至400℃，升温速率为15℃/min；在400℃下恒温1.5小时；从400℃升温到550℃，升温速率为15℃/min；在550℃下恒温4小时。自然冷却后，将样品研磨，所得粉末即为高比表面积g-C3N4光催化剂材料。
表1 实施例1、2与文献以尿素为原料制备的g-C3N4比表面积结果：
| 序号 | g-C3N4样品 | 比表面积(m2/g) | 平均孔径(nm) |
| 1 | 文献值 | 69.6 | 18.2 |
| 2 | 实施例1 | 186.1 | 208.7 |
| 3 | 实施例2 | 173.1 | 364.6 |
由表1中的数据可得知，尿素经过重结晶处理后制备的g-C3N4比表面积得到显著的提高。
如图2所示，A、B分别为本发明实施制备的高比表面积g-C3N4与普通g-C3N4的扫描电镜图，表明制备的g-C3N4表面孔洞明显增多。
Claims (3)
1.一种高比表面积g-C3N4光催化剂的制备方法，其特征包括如下步骤：
(1)尿素原料重结晶处理：在圆底烧瓶中依次加入尿素、无水乙醇、去离子水，磁力搅拌下水浴加热回流20～30分钟，形成均相透明的尿素溶液；其中尿素质量为10g，无水乙醇和去离子水的体积比为20∶1～10∶1，回流温度为80～90℃；
(2)将(1)加热回流结束后的尿素溶液趁热倒出，将其放置在室温20～30℃下，使其自然冷却结晶，将晶体抽滤、用少量冰无水乙醇洗涤，收集晶体，烘干；
(3)将(2)重结晶的尿素产物，置于加盖坩埚，放入马弗炉中经煅烧、恒温、自然冷却至室温20～30℃，即获得高比表面积g-C3N4光催化剂；其中煅烧分为两个阶段，温度设置分别为400和550℃；升温速率为15～20℃/min，总加热时间为4～6小时。
2.根据权利要求1所述的高比表面积g-C3N4光催化剂的制备方法，其特征在于所述的尿素原料经过重结晶处理。
3.根据权利要求1所述的高比表面积g-C3N4光催化剂的制备方法，其特征在于所述的重结晶溶剂为乙醇-水混合体系。
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