CN108816268B - 复合光催化纳米材料及其制备方法、以及降解污染物方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种g‑C3N4/Fe‑aminoclay复合光催化纳米材料及其制备方法、应用。所述制备方法包括：将质量比为(0.5～6)：(0.2～10)的g‑C3N4和FeCl3·6H2O充分溶解于无水乙醇中，得到混合溶液；向混合溶液中加入3‑氨丙基三乙氧基硅烷，搅拌得到固液混合的浆液，其中，浆液中FeCl3和3‑氨丙基三乙氧基硅烷的摩尔比为(1.8～2.0)：1；获取浆液中的固体沉淀；将沉淀进行干燥，得到复合光催化纳米材料。所述复合光催化纳米材料包括采用上述方法制备出的材料。同时，复合光催化纳米材料能够用来降解有机和/或无机污染物。本发明有益效果包括：制备方法简便，原料来源广泛；能够效避免传统非均相催化剂存在的团聚问题；能够快速催化降解污染物。
Description
技术领域
本发明涉及光催化材料的合成技术领域，特备地，涉及一种石墨相氮化碳与有机黏土复合光催化纳米材料及其制备方法和应用。
背景技术
当今世界，随着社会工业化的迅猛发展，人民经济生活水平的不断提高，与此同时能源的过度开发和环境污染的日益严重，已成为威胁人类生存和发展的两大重要因素。人类在尽情地享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到了一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺以及过度使用能源所造成的环境污染等问题，已成为21世纪人类社会可持续发展亟待解决的两大难题。因此，环境污染的治理以及清洁高效的可再生能源的开发利用已成为世界各国所要共同面对解决的重大课题。
太阳能是一种取之不尽，用之不竭的清洁、廉价、可再生能源。因此，高效合理的利用太阳能，不仅可以缓解能源危机；还可以有效的减少环境污染，是现今社会人们共同努力和奋斗的目标。取之不尽、用之不竭的太阳能为动力发展起来的半导体光催化技术在解决环境污染和能源危机方面显示出优异的性能。近来，在众多的半导体光催化材料中，聚合物类石墨稀结构的氮化碳(g-C3N4)，作为一种稳定、廉价且不含金属组分的可见光光催化剂，因其独特的半导体能带结构和较强的化学稳定性及廉价且不含金属组分等的特性引起国内外光催化领域学者的高度关注，被广泛应用于光降解有机污染物、光解水和有机选择性光催化合成等领域。g-C3N4虽在光催化领域优势明显，但在实际应用中纯相的g-C3N4仍然受到很大限制，主要问题有：(1)光生电子空穴对是羟基自由基及其反应的基本条件，光生空穴电子对的数量以及其存在时间都会对自由基的反应产生很大的影响。(2)电子空穴复合速率大，量子产率大大降低，严重影响了光催化的效率。因此，如何解决电子空穴复合是主要的问题。此外在使用过程中还存在分散性差、难以回收再利用等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料及其制备方法、应用。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法。
所述方法可包括以下步骤：将质量比为(0.5～6)：(0.2～10)的g-C3N4和FeCl3·6H2O充分溶解于溶剂中，得到混合溶液；向混合溶液中加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，搅拌得到固液混合的浆液，其中，浆液中FeCl3和3-氨丙基三乙氧基硅烷的摩尔比为(1.8～2.0)：1；获取所述浆液中的固体沉淀；将所述沉淀进行干燥，得到所述复合光催化纳米材料。
基于本发明的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法的一个示例性实施例，所述g-C3N4可包括g-C3N4纳米片，所述g-C3N4的(002)晶面对应层间距可为0.31～0.35nm，禁带宽度为2.5～2.9eV。
基于本发明的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法的一个示例性实施例，所述g-C3N4可由三聚氰胺煅烧、粉碎后得到。
基于本发明的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法的一个示例性实施例，所述煅烧时间可为2～4h，煅烧过程可包括：在密闭环境中，以3～6℃/min的升温速度将三聚氰胺由室温升至550～600℃，然后保温。
基于本发明的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法的一个示例性实施例，在得到所述浆液后，对所述浆液进行超声分散，以使浆液混合均匀，使Fe-aminoclay在g-C3N4上沉积均匀。
基于本发明的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法的一个示例性实施例，在所述将沉淀进行干燥之前，用无水乙醇洗涤所述沉淀，以除去沉淀中的多余的FeCl3。
本发明另一方面提供了一种g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料。
所述材料可包括g-C3N4和Fe-aminoclay，其中，所述材料中g-C3N4和Fe-aminoclay的质量比为1：(0.04～10)。
基于本发明的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的一个示例性实施例，g-C3N4为类石墨的片层结构，并作为所述材料的支撑载体，所述Fe-aminoclay负载在所述g-C3N4的片层表面上。
本发明再一方面提供了一种降解有机和/或无机污染物的方法。所述方法包括采用如上所述的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料进行光催化降解有机和/或无机污染物。所述污染物可包括：RhB和MO中的至少一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：制备方法简便，原料来源广泛；能够效避免传统非均相催化剂存在的团聚问题；在现有催化剂的基础上能够进一步提高催化活性，以达到快速催化降解污染物；能够降低催化剂产出的成本。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的纯相g-C3N4、Fe-aminoclay及g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的实物图和SEM图。
图2示出了本发明示例1中为纯相g-C3N4、Fe-aminoclay及二者复合材料的XRD物相特征图谱。
图3示出了本发明示例1中为纯相g-C3N4、Fe-aminoclay及二者复合材料的FT-IR图谱。
图4示出了本发明示例1中纯相g-C3N4及g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料的UV-VISDRS图谱。
图5示出了本发明示例1中纯相g-C3N4及g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料的PL发射图谱。
图6示出了本发明示例1中纯相g-C3N4及g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料对RhB的降解效率。
图7示出了本发明示例1中纯相g-C3N4及g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料的光反应速率拟合直线。
图8示出了本发明示例1中纯相g-C3N4及g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料对MO的降解效率。
图9示出了本发明示例1中纯相g-C3N4及g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料的光反应速率拟合直线。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料及其制备方法、应用。
本发明一方面提供了一种g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法。
本发明考虑到有机黏土的吸附性能与g-C3N4的催化降解能力，提出了一种g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法，即将石墨相(即具有类石墨的片层结构)的g-C3N4与有机黏土Fe-aminoclay复合成纳米材料的方法。
在本发明的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料制备方法的一个示例性实施例中，所述方法可包括以下步骤：
将质量比为(0.5～6)：(0.2～10)的g-C3N4和FeCl3·6H2O充分溶解于溶剂中，得到混合溶液。在本发明制备出的材料中发挥光催化作用的主要为g-C3N4，若g-C3N4和FeCl3·6H2O的质量比低于上述比例，则Fe-aminoclay的量相对过多导致材料在降解污染物过程中g-C3N4与污染物(例如RhB)接触过少，从而导致制备出材料的降解率不高，催化速率缓慢；若高于上述比例，则不能充分发挥Fe-aminoclay的特性。溶剂可包括无水乙醇。例如，可先将g-C3N4粉末加入无水乙醇中，再加入FeCl3·6H2O，完全溶解后得到混合溶液。该步骤中g-C3N4可包括类石墨片层结构的g-C3N4，即层状的g-C3N4纳米片，g-C3N4的(002)晶面对应层间距为0.31～0.35nm，进一步地，可为0.33nm，禁带宽度为2.5～2.9eV，进一步地可为2.7eV。
向混合溶液中加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(即APTES)，搅拌得到固液混合的浆液。浆液中APTES和FeCl3的摩尔比可为1：(1.8～2.0)。其中，在FeCl3含量已定的情况下，若高于该摩尔比，说明APTES加入量相对偏大，会造成APTES的浪费；若低于该摩尔比，说明APTES加入量偏小，反应不能生成足够Fe-aminoclay，进而不能充分发挥Fe-aminoclay的特性。在该步骤中，搅拌能够促使浆液混合均匀，使Fe-aminoclay在g-C3N4上沉积均匀，充分进行，样品混合均匀，搅拌可在室温下进行，搅拌时间可为12h。
获取浆液中的固体沉淀，并将沉淀进行干燥，得到所述复合光催化纳米材料。其中，获得固体沉淀的过程可包括：将浆液进行离心，然后通过过滤或倒出上清液来得到固体沉淀；当然，除离心之外，还可通过静置、陈化等来使沉淀沉降。将沉淀进行干燥的步骤可包括将沉淀放入35～50℃的环境进行烘干，例如可将沉淀放入40℃烘箱中烘干，然后冷却至室温，若干燥温度过高则样品可能变质，如过低，则会影响干燥效率。
在本实施例中，所述g-C3N4可由三聚氰胺煅烧、粉碎后得到。g-C3N4可为纳米片。其中，煅烧时间可为2～4h，煅烧过程可包括：在密闭环境中，以3～6℃/min的升温速度将三聚氰胺由室温升至550～700℃，然后保温，进一步地，可将温度升至550～600℃。其中，若煅烧时间过短，温度过低，则三聚氰胺热分解不彻底，产物不稳定。若煅烧时间过长，温度过高，则生成的物质不稳定，材料开始发生轻微的分解，温度高于700℃时，材料全部分解成NH3和CxNyHz气体。因此，550℃～600℃是纯相g-C3N4的最佳合成温度。例如，可将三聚氰胺放入坩埚中，用盖封闭，置于马弗炉中，550℃煅烧3小时(升温速率5℃/min)，待冷却至室温取出，然后将其用玛瑙研体研磨至粉末状，得到约粉末状的g-C3N4。
在本实施例中，所述制备方法还可包括步骤：在得到浆液后，对浆液进行超声分散以使其吸附反应充分进行，样品混合均匀。可超声分散时间可为8～15min，进一步地可为10min。
在本实施例中，所述制备方法还包括步骤：在所述将沉淀进行干燥之前，用无水乙醇洗涤所述沉淀，以除去沉淀中的多余的FeCl3，例如可用无水乙醇洗涤两次，这样可以使样品相为单一g-C3N4/Fe-aminoclay纳米材料，表征更具代表性，样品光催化性能更好。
本发明另一方面提出了一种g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料。所述材料可包括采用上述方法制备出的复合光催化纳米材料。
本发明充分利用有机黏土的吸附性能与g-C3N4的催化降解能力，提出了一种g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料，即由g-C3N4与有机黏土Fe-aminoclay复合成的纳米颗粒。
图1示出了本发明的纯相g-C3N4、Fe-aminoclay及g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的实物图和SEM图。图(a)为纯相g-C3N4为的实物图，。图(b)为纯相g-C3N4为的SEM图，从图(b)中可以看出，纯相g-C3N4为类石墨的片层结构。图(c)和(d)分别为Fe-aminoclay的实物图和SEM图。图(e)和(f)分别为g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的实物图和SEM图，g-C3N4/Fe-aminoclay为褐色，从图(f)中可以看出，Fe-aminoclay负载在g-C3N4的表面上。
在本发明的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的一个示例性实施例中，所述复合材料可包括g-C3N4和Fe-aminoclay，所述复合材料中g-C3N4和Fe-aminoclay的质量比为1：(0.04～10)。
在本实施例中，g-C3N4可为类石墨的层状结构，即g-C3N4为g-C3N4纳米片，其作为所述材料的支撑载体，Fe-aminoclay负载在所述g-C3N4的片层表面上。
Fe-aminoclay在g-C3N4表面形成一层铁的有机黏土，可以阻止g-C3N4纳米片之间发生团聚，提供更多的活性位点以提高其催化活性。此外，有机黏土对有机污染物具有较好的吸附能力，更有助于g-C3N4降解处理污染物，且铁的掺杂可以抑制电子-空穴对的复合，提高量子效率，从而显著提高其光响应性能。
本发明再一方面提供了一种降解有机和/或无机污染物的方法。
所述方法包括采用如上所述的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料进行光催化降解有机和/或无机污染物。例如，针对有机污染物和无机污染物共存的特点，本发明的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料能够处理废水中的RhB、MO等污染物。
本发明的复合光催化纳米材料中Fe-aminoclay呈正电性，通过电荷作用可以加速g-C3N4所产生的光生电子-空穴对的迁移，从而延长了光生电子-空穴对的寿命，另一方面，材料主体为g-C3N4时，Fe-aminoclay颗粒分散在其中可以阻止了g-C3N4发生团聚，能够提供更多的活性点位，从而提高降解率，催化活性也得到提高。
本发明再一方面提供了一种Fe-aminoclay的制备方法。
所述方法可包括以下步骤：
将FeCl3·6H2O充分溶解于无水乙醇中，得到第一溶液。
向第一溶液中加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，搅拌得到第二溶液，第二溶液为固液混合的浆体，其中，第二溶液中FeCl3和3-氨丙基三乙氧基硅烷(即APTES)的摩尔比为(1.8～2.0)：1。获取第二溶液中的沉淀。
将所述沉淀进行干燥，得到所述Fe-aminoclay。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。
示例1
1、纯相g-C3N4的制备：
将50g三聚氰胺放入坩埚中，用盖封闭，置于马弗炉中，550℃煅烧3小时(升温速率5℃/min)，待冷却至室温取出，将其用玛瑙研体研磨至粉末状，得到约27.4g粉末状g-C3N4。
2、Fe-aminoclay的制备：
室温下，将8.4g(31.08mmol)六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)置于250mL锥形瓶中，加入200ml乙醇溶液溶解，超声波分散仪分散10min，混合均匀。然后，量取APTES溶液13mL(58.73mmol)加入(APTES与氯化铁的摩尔比约为1.0:1.89)，形成的棕色沉淀浆液，将其置于摇床上，以600r/min在磁力搅拌器上搅拌12小时。反应结束后，将混合液以10000r/min离心20min，用乙醇溶液约100mL清洗两次，去除多余的氯化铁，并在40℃烘干。Fe-aminoclay的产量(干重)约为4.67g。
3、g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备：
1)分别称量1g、2.5g、5g、5g、5g、5g g-C3N4粉末置于6个250mL锥形瓶中，将六个锥形瓶分别记为A1、A2、A3、A4、A5和A6，分别加入200mL无水乙醇，再按A1～A6的顺序分别加入8.4g、8.4g、8.4g、1.68g、0.84g、0.42gFeCl3·6H2O，完全溶解得到6份混合溶液，对其进行超声分散10min；
2)按照A1～A6的顺序将13mL、13mL、13mL、2.6mL、1.3mL、0.65mL的3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)分别加入上述六份混合溶液中，在室温下搅拌12h形成混合溶液Bi(i＝1～6)，对Bi(i＝1～6)溶液进行离心，倒出上层清液，得到下层沉淀；
3)将得到的下层沉淀放入40℃烘箱中烘干，最后冷却至室温，得到不同质量比的g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料，分别记为g-C3N4/Fe-aminoclay(1:4.67，即g-C3N4与Fe-aminoclay的质量比为1:4.67)、g-C3N4/Fe-aminoclay(2.5:4.67)、g-C3N4/Fe-aminoclay(5:4.67)、g-C3N4/Fe-amino-clay(5:0.934)、g-C3N4/Fe-aminoclay(5:0.467)以及g-C3N4/Fe-aminoclay(5:0.2335)，随着二者质量比的增大，颜色大致由黄褐色变为淡黄色。
4、以上制备出产品性能检测的结果：
图2～9中示出的比例为制备出复合物中g-C3N4与Fe-aminoclay的比值。
(1)XRD测试结果
将上述制备的纯相g-C3N4、Fe-aminoclay及不同比例的g-C3N4/Fe-aminoclay复合物进行XRD测试，测试结果如图2所示。
由图2可得，纯相g-C3N4在13.1°和27.4°附近处有一强衍射峰，其中27.4°附近处的衍射峰最强，是由共轭芳香系层层堆叠而成，其归属于g-C3N4的(002)晶面，对应层间距d＝0.33nm，说明g-C3N4具有和石墨类似的层状结构。另一个在13.1°附近处的衍射峰是melon类物质的特征峰，晶面指数标记为(100)，对应3-s三嗪结构中氮孔间距d＝0.67nm，代表层内的重复单元。
单体Fe-aminoclay在2θ接近5°的位置处有一处强衍射峰，此归属于Fe-aminoclay的(001)晶面，而对应的层间距d＝1.4-1.8nm，Fe-aminoclay在此晶面内呈现出低角度反射，这是层状有机粘土结构的典型特征。
随着g-C3N4与Fe-aminoclay之间在质量上比例的降低，g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料中g-C3N4的两个特征衍射峰逐渐减弱，而Fe-aminoclay的特征衍射峰逐渐加强，质量比(即制备过程中g-C3N4与六水合氯化铁的质量比)为5:1.68、5:0.84和5:0.42的三类复合材料样品中g-C3N4的特征峰值较强，即g-C3N4占主导地位，而1:8.4、2.5:8.4和5:8.4(即制备过程中g-C3N4与六水合氯化铁的质量比)的三类复合材料样品中Fe-aminoclay的峰值更明显，说明Fe-aminoclay占主导地位。
(2)FT-IR测试结果
将上述骤制备的纯相g-C3N4、Fe-aminoclay及不同比例的g-C3N4/Fe-aminoclay复合物进行FT-IR测试，测试结果如图3所示。
由图3可得；单体g-C3N4在1237cm-1、1317cm-1、1408cm-1、1570cm-1、1639cm-1左右处出现特征吸收峰，对应于C＝N和C-N的伸缩运动，而在807cm-1附近的吸收峰处则为三嗪环的特征吸收峰。
单体Fe-aminoclay的形成是由氨基粘土中的有机官能团-(CH2)3-NH2与Fe3+和以共价键的形式结合形成，如图2所示，在692cm-1、1043cm-1、1116cm-1、2000cm-1以及3390cm-1左右处的特征吸收峰，分别对应于-Fe-O-、-Si-O-Si-、-Si-C-、-NH3+、-OH的伸缩运动，在1489cm-1、1612cm-1处的特征吸收峰则对应于-CH2、-NH2的弯曲振动，而-NH3+和-NH2是在Fe-aminoclay形成之后进而才出现的。
对于不同质量比g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料，均出现石墨型氮化碳与Fe-aminoclay的特征吸收峰，除了强度有所改变以外，g-C3N4与Fe-aminoclay主要吸收峰位置并没有发生偏移，由此看出反应后二者已经成功复合，而且Fe-aminoclay并不会影响g-C3N4的结构。
(3)紫外-可见光漫反射分析测试结果
将上述制备出的纯相g-C3N4、Fe-aminoclay及不同比例的g-C3N4/Fe-aminoclay复合物进行紫外-可见光漫反射分析测试，测试结果如图4所示。
由图4可得，单体g-C3N4展现出典型的半导体吸收，其吸收带从紫外区域拓展至约460nm，由公式λg＝1240/Eg可计算出其禁带宽度约2.7eV；当g-C3N4与Fe-aminoclay复合之后，并且随着g-C3N4与Fe-aminoclay在质量上比例不断减小，复合材料的光吸收带逐渐出现红移现象，吸收波长阈值变大，即带隙减小。表明Fe-aminoclay的引入有利于复合材料光吸收范围向可见光区进一步延展，在此过程中的光吸收强度也在不断加强，表明复合材料可以被更多可见光光子激发。其中，表征最好的样品为g-C3N4与Fe-aminoclay的质量比为1:4.67的复合材料，其在200-800nm内都超过其它样品而保持一个较强的吸收。分析结果表明；g-C3N4和Fe-aminoclay在复合过程中由于带隙的降低扩大了复合材料对光的吸收范围，使得g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料在光催化反应中可以更有效地利用可见光，有效提高对可见光的光催化能力。
(4)PL发射图谱分析测试结果
将上述骤制备的纯相g-C3N4、Fe-aminoclay及不同比例的g-C3N4/Fe-aminocla复合物进行PL发射图谱分析测试，测试结果如图5所示。由图5可得，g-C3N4在460nm附近有很强的荧光发射峰，说明其具有蓝色荧光的特性，也与图3紫外可见谱图中g-C3N4吸收波长阈值λg＝460nm基本一致，归因于g-C3N4的内带隙(2.7eV)。g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料的荧光光谱与单体g-C3N4出峰位置相似，但是复合材料的PL激发强度明显降低，具有明显的淬灭现象，并且随着g-C3N4与Fe-aminoclay在质量上比例逐渐降低，PL的信号强度逐渐减弱，由于荧光指光生电子和空穴复合之后所发出来的光，因此PL光谱实验结果表明；Fe-aminoclay的有效引入显著阻碍了光生电子和空穴的复合几率，归因于二者均为层状结构，紧密结合而形成了能级相匹配的物理异质结构，由于Fe-aminoclay在溶液中呈正电，通过电荷作用加速了g-C3N4产生的光生电子空穴的迁移，抑制了光生电子与空穴的复合。
5、降解实验
为了更好的说明本发明的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料降解有机和/或无机污染物的效果，本发明进行了光催化降解RhB或MO实验。
测试过程：
首先称量5mg催化剂加入石英试管中，然后用500mL容量瓶配置浓度为10mg/L的RhB或MO溶液500mL，再用50mL量筒从中量取50mL加入石英试管中，然后用锡箔纸包裹，在没有光照、常温的条件下磁力搅拌30min，使整个固-液反应体系达到吸附-脱附平衡。然后将搅拌后的悬浮液放在距离光源15cm处进行照射，并加磁力搅拌，确保反应均匀。实验所用灯源为300W的氙灯，并用λ>400nm的滤光片过滤掉紫外光，在10min(RhB)或20min(MO)的时间间隔内取2mL反应溶液，以每分钟5000r的离心速度离心5min，取出其上层清液，利用紫外-可见分光度计分析RhB或MO在其最大吸收波长554nm或464nm处的特征吸光度，并且绘制吸光度随时间变化的曲线，检验样品的光催化活性能
测试结果：
(1)由图6可以看出，RhB在2h内的自降解率约为3.67％，可忽略不计，从降解结果来看，单一g-C3N4对RhB 2h内的降解率约为97％，g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料也表现出g-C3N4与Fe-aminoclay质量比例越大，降解率就越高，其中，质量比为5:0.934、5:0.467以及5:0.2335的三类样品在2h内的降解率基本接近百分之百，均要高于单体g-C3N4。
如图7，质量比为5:0.934、5:0.467以及5:0.2335的三类样品的直线斜率明显高于单体g-C3N4，就三者而言，随着g-C3N4与Fe-aminoclay质量比的提高，斜率也不断提高，质量比为5:0.2335样品表现最好，由表1知，K值为0.0634，约为单一g-C3N4的两倍，说明在g-C3N4含量相对较高的情况下，Fe-aminoclay的存在提高了光催化效率。质量比为1:4.67、2.5:4.67以及5:4.67三类样品，随着比例的不断减小，斜率也不断减小，且均低于单体g-C3N4。质量比为1:4.67、2.5:4.67以及5:4.67三种材料催化效果不好，主要归因于这三种材料的主体为Fe-aminoclay，而发挥光催化作用的主要为g-C3N4。一方面g-C3N4的浓度较低，另一方面Fe-aminoclay的量相对过多导致g-C3N4与RhB的接触过少，从而导致降解率不高，催化速率缓慢。而对质量比为5:0.934、5:0.467以及5:0.2335的三种材料催化效果较好的原因为，一方面Fe-aminoclay呈正电性，通过电荷作用加速了g-C3N4所产生的光生电子-空穴对的迁移，从而延长了光生电子-空穴对的寿命，另一方面，此三种材料的主体主要为g-C3N4，而Fe-aminoclay颗粒分散在其中阻止了g-C3N4发生团聚，提供了更多的活性点位，从而提高降解率，催化活性也得到提高。
表1 g-C3N4、g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料的光反应速率拟合
(2)采用MO作为降解目标物研究g-C3N4和g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料的降解性能。如图8所示，对空白对照，2h内MO的自降解约为2.7％，可忽略不计。单一g-C3N4对MO的降解率在2h内仅有16.5％。而在复合材料中也显现出相同的规律，随着g-C3N4与Fe-aminoclay质量比的增大，降解程度越来越高，而质量比为1:4.67、2.5:4.67以及5:4.67三种材料的催化效果一般，2h降解率分别为21.8％、23.0％以及37.5％；质量比为5:0.934、5:0.467以及5:0.2335的三类样品在2h内的降解率分别为50.9％、71.6％以及77％，均远高于单体g-C3N4。
如图9所示，所有复合材料的斜率均要大于单一g-C3N4，随着g-C3N4与Fe-aminoclay质量比的增大，斜率也越来越大，反应出光催化速率越来越高，而拟合直线方程呈现在表2中，由表2所示，单一g-C3N4的斜率为0.00133，而催化性能最好的即质量比为5:0.2335的材料的斜率为0.01172，约为单一g-C3N4的9倍。
表2 g-C3N4、g-C3N4/Fe-aminoclay复合材料的光反应速率拟合
本发明的材料充分利用有机黏土的吸附性能与g-C3N4的催化降解能力，极大促进了光吸收和快速电荷分离及转移，从而提高可见光利用效率和光催化性能。通过对样品进行XRD、FT-IR测试结果表明，复合材料中均具备g-C3N4与Fe-aminoclay的特征衍射峰与特征吸收峰，且位置未发生变动，基本断定二者成功复合；UV-VIS DRS表征结果反映复合材料在整个波长范围内对光的吸收要强于单一g-C3N4，且出现红移现象，对可见光的响应性增强，其中表征结果最好的为g-C3N4与Fe-aminoclay质量比为1:4.67的样品；通过PL分析，复合材料可以降低光生载流子的复合几率，提高光催化活性。g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料对RhB、MO的催化降解表明，g-C3N4与Fe-aminoclay的质量比越高，光催化效率就越高。表现最优异的为质量比为5:0.2335的样品，在2h内对RhB或MO降解率达到近100％或77％，降解速率约为单一g-C3N4的2倍以上，甚至可达到9倍。复合光催化纳米材料使水中的有机污染物和无机污染物得到较充分地处理，而且对环境没有影响，是一种环境友好型的光催化材料。
综上所述，本发明的g-C3N4/有机黏土纳米材料具有很多优点：(1)由于在g-C3N4纳米颗粒的表面形成一层铁的有机黏土，从而阻止了g-C3N4纳米颗粒之间发生团聚，提供了更多的活性位点以提高其催化活性；(2)有机黏土对有机污染物具有较好的吸附能力，通过有机黏土的吸附作用，将有机污染物吸附到催化剂周围，更有助于g-C3N4纳米颗粒对污染物的催化降解；(3)Fe2+/Fe3+的还原电位低于g-C3N4的导带电位，因此，Fe掺杂可以有效地捕获光生载流子，抑制电子-空穴对的复合，从而提高复合材料光催化活性；(4)本方法原料来源广泛、成本低、制备工艺相对简单、生产周期短、条件温和、操作方便，拓宽了g-C3N4应用领域，本发明为构建矿物复合功能材料提供了新的途径，有很好的工业化生产前景。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。
Claims (10)
1.一种g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将质量比为(0.5～6)：(0.2～10)的g-C3N4和FeCl3·6H2O充分溶解于溶剂中，得到混合溶液；
向混合溶液中加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，搅拌得到固液混合的浆液，其中，浆液中FeCl3和3-氨丙基三乙氧基硅烷的摩尔比为(1.8～2.0)：1；
获取所述浆液中的固体沉淀；
将所述沉淀进行干燥，得到所述复合光催化纳米材料。
2.根据权利要求1所述的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法，其特征在于，所述g-C3N4包括g-C3N4纳米片，所述g-C3N4的(002)晶面对应层间距为0.31～0.35nm，禁带宽度为2.5～2.9eV。
3.根据权利要求1所述的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法，其特征在于，所述g-C3N4由三聚氰胺煅烧、粉碎后得到。
4.根据权利要求3所述的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法，其特征在于，所述煅烧时间为2～4h，煅烧过程包括：在密闭环境中，以3～6℃/min的升温速度将三聚氰胺由室温升至550～600℃，然后保温。
5.根据权利要求1所述的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
在得到所述浆液后，对所述浆液进行超声分散。
6.根据权利要求1所述的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤：
在将所述沉淀进行干燥之前，用无水乙醇洗涤所述沉淀，以除去沉淀中的多余的FeCl3。
7.一种g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料，其特征在于，所述材料包括g-C3N4和Fe-aminoclay，其中，所述材料中g-C3N4和Fe-aminoclay的质量比为1：(0.04～10)。
8.根据权利要求7所述的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料，其特征在于，g-C3N4为类石墨的片层结构，并作为所述材料的支撑载体，所述Fe-aminoclay负载在所述g-C3N4的片层表面上。
9.一种降解有机和/或无机污染物的方法，其特征在于，所述方法包括采用如权利要求7或8所述的g-C3N4/Fe-aminoclay复合光催化纳米材料进行光催化降解有机和/或无机污染物。
10.根据权利要求9所述的降解有机和/或无机污染物的方法，其特征在于，所述污染物包括：RhB和MO中的至少一种。
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