CN107649168A - 一种光催化降解水中双酚a的方法及其使用的催化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光催化降解水中双酚A的方法，将BPA溶液和O‑g‑C3N4充分混合，先暗吸附，然后在可见光条件下，催化降解3h以上，实现60%以上的降解率；其中，O‑g‑C3N4为采用高温‑氧化‑高温联合处理制备获得的O‑g‑C3N4。本发明利用廉价易得的三聚氰胺原料，通过高温‑氧化‑高温联合处理路径即可制备得到性能优越的O‑g‑C3N4产品，整个制备过程操作步骤简单快捷，较易于推广。通过高温‑氧化‑高温联合处理路径制备得到的O‑g‑C3N4产品相比经单一氧化或者单一高温煅烧单一处理后的产品，其O掺杂效果得到促进，比表面积增大，光吸收域明显拓宽，在可见光区域内对水中双酚A的光催化降解效率达62.3%，比单一处理产品的降解效率提高了7倍，具有很好的实用性。
Description
技术领域
本发明属于氧掺杂石墨相氮化碳技术领域，具体涉及一种光催化降解水中双酚A的方法及其使用的催化剂。
背景技术
光催化技术可实现太阳能的高效转化和储存，在一定条件下可驱动重要的化学反应，在解决环境能源问题上有着较大的优势。传统的半导体光催化剂存在光谱响应范围较窄，太阳能利用率低稳定性差等缺点。探索性能优异、价格低廉、稳定的可见光催化剂，在解决能源和环境问题方面具有重要的意义。
石墨相氮化碳（graphitic carbon nitride，简称g-C3N4）作为一种新型的非金属半导体光催化剂，具有稳定性好、原料价格便宜等优势。然而，g-C3N4存在光谱响应范围不够广、光催化量子效率低、光生载流子迁移率小等缺点，限制了其在环境治理中的应用。近年来，研究者针对g-C3N4存在的问题，开发了改性方法以提高其催化活性，如非金属/金属掺杂、结构形貌调变和半导体复合等。其中，非金属掺杂改性在提高g-C3N4的光催化性能方面有着巨大的优势，S、N、C、P和O等均可被用于g-C3N4掺杂改性。尽管O掺杂g-C3N4已有一定研究，但如何改进方法，实现可控O掺杂，进一步提升催化剂的可见光催化效果，仍有诸多问题有待研究。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种光催化降解水中双酚A的方法，满足对水中双酚A的降解使用需求。本发明的另一目的是提供一种上述光催化降解水中双酚A的方法所使用的催化剂。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种光催化降解水中双酚A的方法，将BPA溶液和O-g-C3N4充分混合，先暗吸附，然后在可见光条件下，催化降解3h以上，实现60%以上的降解率；其中，O-g-C3N4为采用高温-氧化-高温联合处理制备获得的O-g-C3N4。
所述的光催化降解水中双酚A的方法：反应温度为25℃，O-g-C3N4用量为0.02g，BPA溶液50mL，浓度10ppm。
所述的光催化降解水中双酚A的方法：暗吸附30min后，开启500W氙灯，催化降解3h以上。
所述的光催化降解水中双酚A的方法：所述的高温-氧化-高温联合处理过程为：
1）将三聚氰胺在550℃条件下高温焙烧4小时，研磨过筛后得到g-C3N4；
2）称取2g g-C3N4置于250mL的烧杯中，加入H2O2 120mL，在60℃下磁力搅拌20min，再用去离子水洗至中性；得到材料烘干后过筛获得产品H2O2-g-C3N4；
3）将H2O2-g-C3N4材料于500℃高温下煅烧2小时，得到产品O-g-C3N4。
所述的O-g-C3N4，形貌呈薄碎片状，比表面积42.72m2/g。
一种氧掺杂量可控的O-g-C3N4的制备方法，包括以下步骤：
1）将三聚氰胺在550℃条件下高温焙烧4小时，研磨过筛后得到g-C3N4；
2）取g-C3N4，加入H2O2，磁力搅拌，再用去离子水洗至中性，得到材料烘干后过筛获得产品H2O2-g-C3N4；
3）将得到的H2O2-g-C3N4，于500℃高温下煅烧2小时，得到产品O-g-C3N4。
所述的氧掺杂量可控的O-g-C3N4的制备方法，g-C3N4与H2O2的质量比为0.03~0.01：1。
所述的氧掺杂量可控的O-g-C3N4的制备方法所获得的O-g-C3N4。
所述的O-g-C3N4，形貌呈薄碎片状，比表面积42.72m2/g。
本发明以g-C3N4为原材料，通过设计新的氧化高温联合处理路径，获得O掺杂g-C3N4（O-g- C3N4），应用于提高水中双酚A（BPA）的可见光催化降解，为水体中有机物去除提供有效而简便的方法与技术基础。现有制备O掺杂g-C3N4的方法无法实现可控O掺杂，也无法大幅度提升产品的可见光催化效果。氧化高温联合处理路径得到的O-g- C3N4光吸收域明显拓宽，且具有更大的比表面积，同时很好地抑制了光生电子空穴的复合，光催化性能也得到显著提高。
有益效果：与现有技术相比，本发明的利用廉价易得的三聚氰胺原料，通过高温-氧化-高温联合处理路径即可制备得到性能优越的O-g-C3N4产品，整个制备过程操作步骤简单快捷，较易于推广。通过高温-氧化-高温联合处理路径制备得到的O-g-C3N4产品相比经单一氧化或者单一高温煅烧单一处理后的产品，其O掺杂效果得到促进，比表面积增大，光吸收域明显拓宽，在可见光区域内对水中双酚A的光催化降解效率达62.3%，比单一处理产品的降解效率提高了7倍，具有很好的实用性。
附图说明
图1是O-g-C3N4透射电镜图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明，但未限于所举的实施例。
实施例1 O-g-C3N4的制备
1、将三聚氰胺在550℃条件下高温焙烧4小时（升温速率为2℃/min），研磨过筛后得到石墨相氮化碳材料（g-C3N4)。
2、称取2g步骤1得到的g-C3N4置于250mL的烧杯中，加入H2O2 120mL，在60℃下磁力搅拌20min，再用去离子水洗至中性。得到材料烘干后过筛获得产品H2O2-g-C3N4。
3、将步骤2得到的H2O2-g-C3N4材料于500℃高温下煅烧2小时，得到产品O-g-C3N4。
图1是使用透射电子显微镜分析（TEM）（JEOL JEM 2100型）观察高温-氧化-高温联合处理制备的O-g-C3N4透射电镜图，处理后的O-g-C3N4形貌发生呈薄碎片状，BET比表面积分析采用Micromeritics公司的ASAP2020型BET比表面积测试仪，利用N2静态吸附法进行分析测定产品比表面积42.72m2/g。
实施例2 水中双酚A的可见光降解
光催化反应在南京胥江机电厂生产的XPA系列-7型光催化反应器中进行，反应温度为25℃，催化剂用量为0.02g，双酚A（BPA）溶液50mL，浓度10ppm。催化剂的类型为：未处理的g-C3N4、单一双氧水氧化的g-C3N4、单一高温煅烧的g-C3N4、实施例1得到产品O-g-C3N4。
单一双氧水氧化的g-C3N4的制备方法为水热法，称取2g的g-C3N4于250mL的烧杯中，加入过氧化氢120mL，550℃条件下煅烧3h，然后转移至反应釜中，于150℃下水热反应5h得到产物。
单一高温煅烧的g-C3N4的制备方法为在氮气氛围下，将g-C3N4在500℃条件下煅烧2h得到产物。
将BPA溶液和催化剂充分混合，暗吸附30min后，开启500W氙灯，稳定后开始计时，在一定时间间隔（30min）从取样口取样，过滤后测定滤液中BPA的浓度。采用高效液相法（HPLC）来测量滤液中BPA的浓度，流动相为85%甲醇和15%水，测定波长为230nm，柱温为30℃。
以未处理的g-C3N4为催化剂时，3h后双酚A的降解效率仅为10%；以单一双氧水氧化的g-C3N4为催化剂时降解效率为9.4%；以单一高温煅烧的g-C3N4为催化剂时降解效率为9.8%；而利用本发明中高温-氧化-高温联合处理路径制备得到的O-g-C3N4为催化剂时降解效率为62.3%。
可见本发明的O-g-C3N4，吸收域明显拓宽，利于光吸收；同时，O的掺入有效地抑制了光生电子和空穴的复合，提高了光催化的性能；此外，O-g-C3N4的比表面积增加，提供了更多的反应位点，有利于污染物的吸附和活性物种传递。
实施例3 不同条件下O-g-C3N4的制备
1、将三聚氰胺在550℃条件下高温焙烧4小时（升温速率为2℃/min），研磨过筛后得到石墨相氮化碳材料（g-C3N4)。
2、称取2g步骤1得到的g-C3N4置于250mL的烧杯中，加入H2O2 60mL，在60℃下磁力搅拌20min，再用去离子水洗至中性。得到材料烘干后过筛获得产品H2O2-g-C3N4。
3、将步骤2得到的H2O2-g-C3N4材料于500℃高温下煅烧2小时，得到产品O-g-C3N4。
采用Micromeritics公司的ASAP2020型BET比表面积测试仪分析步骤3得到的O-g-C3N4 BET比表面积，利用N2静态吸附法进行分析测定产品比表面积11.80m2/g。
实施例4 水中双酚A的可见光降解
光催化反应在南京胥江机电厂生产的XPA系列-7型光催化反应器中进行，反应温度为25℃，催化剂用量为0.02g，双酚A（BPA）溶液50mL，浓度10ppm。催化剂的类型为：未处理的g-C3N4、单一双氧水氧化的g-C3N4、单一高温煅烧的g-C3N4、实施例3得到产品O-g-C3N4。
单一双氧水氧化的g-C3N4的制备方法为水热法，称取2g的g-C3N4于250mL的烧杯中，加入过氧化氢120mL，550℃条件下煅烧3h，然后转移至反应釜中，于150℃下水热反应5h得到产物。
单一高温煅烧的g-C3N4的制备方法为在氮气氛围下，将g-C3N4在500℃条件下煅烧2h得到产物。
将BPA溶液和催化剂充分混合，暗吸附30min后，开启500W氙灯，稳定后开始计时，在一定时间间隔（30min）从取样口取样，过滤后测定滤液中BPA的浓度。采用高效液相法（HPLC）来测量滤液中BPA的浓度，流动相为85%甲醇和15%水，测定波长为230nm，柱温为30℃。
以未处理的g-C3N4为催化剂时，3h后双酚A的降解效率仅为10%；以单一双氧水氧化的g-C3N4为催化剂时降解效率为9.4%；以单一高温煅烧的g-C3N4为催化剂时降解效率为9.8%；而利用实施例3中高温-氧化-高温联合处理路径制备得到的O-g-C3N4为催化剂时降解效率为41.3%。
可见本发明的O-g-C3N4，吸收域明显拓宽，利于光吸收；同时，O的掺入有效地抑制了光生电子和空穴的复合，提高了光催化的性能；此外，O-g-C3N4的比表面积增加，提供了更多的反应位点，有利于污染物的吸附和活性物种传递。
Claims (9)
1.一种光催化降解水中双酚A的方法，其特征在于：将BPA溶液和O-g-C3N4充分混合，先暗吸附，然后在可见光条件下，催化降解3h以上，实现60%以上的降解率；其中，O-g-C3N4为采用高温-氧化-高温联合处理制备获得的O-g-C3N4。
2.根据权利要求1所述的光催化降解水中双酚A的方法，其特征在于：反应温度为25℃，O-g-C3N4用量为0.02g，BPA溶液50mL，浓度10ppm。
3.根据权利要求1所述的光催化降解水中双酚A的方法，其特征在于：暗吸附30min后，开启500W氙灯，催化降解3h以上。
4.根据权利要求1所述的光催化降解水中双酚A的方法，其特征在于：所述的高温-氧化-高温联合处理过程为：
1）将三聚氰胺在550℃条件下高温焙烧4小时，研磨过筛后得到g-C3N4；
2）称取2g g-C3N4置于250mL的烧杯中，加入H2O2 120mL，在60℃下磁力搅拌20min，再用去离子水洗至中性；得到材料烘干后过筛获得产品H2O2-g-C3N4；
3）将H2O2-g-C3N4材料于500℃高温下煅烧2小时，得到产品O-g-C3N4。
5.根据权利要求1所述的光催化降解水中双酚A的方法，其特征在于：所述的O-g-C3N4，形貌呈薄碎片状，比表面积42.72m2/g。
6.一种氧掺杂量可控的O-g-C3N4的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将三聚氰胺在550℃条件下高温焙烧4小时，研磨过筛后得到g-C3N4；
2）取g-C3N4，加入H2O2，磁力搅拌，再用去离子水洗至中性，得到材料烘干后过筛获得产品H2O2-g-C3N4；
3）将得到的H2O2-g-C3N4，于500℃高温下煅烧2小时，得到产品O-g-C3N4。
7.根据权利要求6所述的氧掺杂量可控的O-g-C3N4的制备方法，其特征在于，g-C3N4与H2O2的质量比为0.03~0.01：1之间。
8.权利要求6或7所述的氧掺杂量可控的O-g-C3N4的制备方法所获得的O-g-C3N4。
9.权利要求8所述的O-g-C3N4，其特征在于，形貌呈薄碎片状，比表面积42.72m2/g。
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