CN109821565A - 一种片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料的制备方法 - Google Patents

一种片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种片状g‑C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料(BiOBr/g‑C3N4光催化材料)的制备方法,该方法以五水合硝酸铋、十六烷基三甲基溴化铵、三聚氰胺、乙二醇、硝酸(2mol/L)为主要原料,采用溶剂热合成的方法制备出BiOBr/g‑C3N4光催化材料。用氙灯作为光源模拟太阳光,将紫外光滤去(λ>420nm),对BiOBr/g‑C3N4光催化材料进行光催化性能的测试;通过降解水中的甲基橙、亚甲基蓝、罗丹明B等有毒有机污染物来证明BiOBr/g‑C3N4光催化材料在可见光下具有良好的光催化性能。该BiOBr/g‑C3N4光催化材料是一种非金属半导体和卤氧化铋材料的复合,特殊的能带结构以及良好的光学性能是其作为光催化剂的基础,本身具有无毒、廉价、易制备优点,使得它们在污染物的治理和利用太阳能开发新能源方面拥有广阔的应用前景。

Description

一种片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料的制备方法
技术领域
本发明涉及片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料的制备方法,具体属于光催化材料制备领域。
背景技术
随着工业技术的迅猛发展,人们在获得便利化的同时,越来越多的生活污水、工业污水都被排进河道。进入21世纪以来,环境治理和新能源是人类面临的两大难题。而与此同时,太阳能取之不尽、用之不竭,将会是人类能加以利用的最佳能源。
半导体光催化材料第一次被人们发现是在用TiO2降解水制取氢气和氧气上面,自此,半导体作为光催化材料能够利用太阳光转化为其他的能源吸引着大量科学家的注意。不幸的是,作为光催化材料,TiO2却拥有着较宽的带隙能(3.2eV),以及较高的电子空穴的复合率,这导致它只能利用太阳光中极少的紫外光部分(占比不到4%),这就意味着超过96%的太阳光可见部分将会没有意义。
而作为取代TiO2的一种新型光催化剂也面临着同样的问题,它们的优点在于原材料廉价易得,无毒无污染,具有良好的热、化学性能,g-C3N4的制备只需要将三聚氰胺放在升温炉中烧几个小时就能制得,导带-1.13eV,价带1.57eV,而降解水制氢制氧得氧化还原电位为0eV、1.23eV,这就意味着降解水制氢制氧得氧化还原电位处于g-C3N4得禁带中,这也使得g-C3N4在光解水制氢制氧中拥有发展得潜力,但是以往的实验证明,单一的光催化剂光催化效果并不好,这和它们电子空穴较低的分离率是分不开的。实验证明,g-C3N4在光催化作用过程中起主要作用的是电子和空穴,价带中的电子受光的能量激发到导带形成可以自由移动的电子,同时受激发的电子具有还原性,其还原性的强弱和导带的位置有关,同样电子离开后剩下的空穴则含有氧化性,能够将O2-氧化成氧气。但是较低的电子空穴分离率导致光催化效率也比较低,因此,对g-C3N4的改性显得尤为重要。
发明内容
本发明提供一种片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料(BiOBr/g-C3N4光催化材料)的制备方法,该方法包括如下步骤:
(1)将三聚氰胺在400~700℃条件下煅烧3~5h,得到黄色的粉末状g-C3N4材料(石墨相C3N4);
(2)将十六烷基三甲基溴化铵和乙二醇混合,并搅拌30~60min,作为溶液A;将五水合硝酸铋与硝酸溶液混合,并搅拌0.5~1.5h,作为溶液B;将溶液B倒入溶液A中,然后将步骤(1)中得到的g-C3N4材料加入到混合溶液中,超声10~15min,得到悬浊液;
(3)将步骤(2)中得到的悬浊液置于反应釜中,在140~180℃条件下反应10~14h;
(4)待步骤(3)中反应完成后,分离出沉淀物,将沉淀物洗涤、干燥,得到片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料(BiOBr/g-C3N4光催化材料)。
优选的,在步骤(2)中,硝酸溶液的浓度为2M。
优选的,在步骤(2)中,理论中产生的BiOBr与g-C3N4材料的质量比为8:1、4:1、1:1或1:4。其中,BiOBr是通过十六烷基三甲基溴化铵和五水合硝酸铋在水热反应时制备出来的,并不是一开始就加入的;BiOBr的质量是通过理论上计算五水合硝酸铋的量来确定的。
优选的,在步骤(3)中,反应釜的内衬为聚四氟乙烯。
上述方法得到的BiOBr/g-C3N4光催化材料可以用于降解有机物,例如用于降解双酚A、甲基橙、亚甲基蓝或罗丹明B。只需将制备的BiOBr/g-C3N4光催化材料直接放入待处理的废水中,在太阳光照射下就能发生降解反应。
本发明通过高温煅烧和水热反应合成出了片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料。本发明的方法简单易操作,且制备的复合材料结晶性好,不含有其他杂质,相对于纯的g-C3N4和纯BiOBr,它降解染料的能力得到了极大的提升。制备的BiOBr/g-C3N4光催化材料具有良好的稳定性,不用担心一次光催化后其效率就大幅度降低的可能性。而且,制备的BiOBr/g-C3N4光催化材料只含有C、N、Bi、Br元素并且含有及其少量的H元素,而Bi元素是不容易被身体吸收的,不用担心使用会造成重金属污染。
附图说明
图1:本发明片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料的SEM图。
图2:本发明片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料在可见光下(λ>420nm)降解双酚A的浓度-时间曲线图。
图3:本发明片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料在可见光下(λ>420nm)降解甲基橙的浓度-时间曲线图。
图4:本发明片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料光电流图。
图5:本发明片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料光致发光图。
具体实施方式
下面通过实施例1~4对本发明作进一步说明。
实施例1
g-C3N4的制备:
(1)称取2g三聚氰胺放入陶瓷坩埚中,将陶瓷坩锅用盖盖好,放在管式升温炉中升温到550℃;升温速率为5℃/min,加热时间为4h,得到淡黄色的g-C3N4(类石墨相C3N4),将其研碎备用;
BiOBr/g-C3N4的制备:
(2)称取89.75mg十六烷基三甲基溴化铵置于小烧杯中,用量筒量取16ml乙二醇倒入烧杯中,搅拌60min,作为溶液A;同时取119.25mg五水合硝酸铋放在另一个50ml小烧杯中,加入12ml硝酸(2M),搅拌1h,作为溶液B;将溶液B倒入溶液A中,然后称取300mg步骤(1)中得到的g-C3N4加入到混合溶液中,超声10min;
(3)将步骤(2)中得到的悬浊液放在50ml的反应釜中,在160摄氏度下反应12h;
(4)待步骤(3)中反应完成后,将所得产品离心得到沉淀物,然后用去离子水和无水乙醇分别清洗三遍,将清洗后的沉淀物放在真空干燥箱中干燥一晚上,得到BiOBr/g-C3N4
实施例2
g-C3N4的制备:
(1)和实施例1的步骤(1)相同;
BiOBr/g-C3N4的制备:
(2)称取359mg十六烷基三甲基溴化铵置于小烧杯中,用量筒量取16ml乙二醇倒入烧杯中,搅拌60min,作为溶液A;同时取477mg五水合硝酸铋放在另一个50ml小烧杯中,加入12ml硝酸(2M),搅拌1h,作为溶液B;将溶液B倒入溶液A中,然后称取300mg步骤(1)中得到的g-C3N4加入到混合溶液中,超声10min;
(3)将步骤(2)中得到的悬浊液放在50ml的反应釜中,在160摄氏度下反应12h;
(4)待步骤(3)中反应完成后,将所得产品离心得到沉淀物,然后用去离子水和无水乙醇分别清洗三遍,将清洗后的沉淀物放在真空干燥箱中干燥一晚上,得到BiOBr/g-C3N4
实施例3
g-C3N4的制备:
(1)和实施例1的步骤(1)相同;
BiOBr/g-C3N4的制备:
(2)称取1.436g十六烷基三甲基溴化铵置于小烧杯中,用量筒量取16ml乙二醇倒入烧杯中,搅拌60min,作为溶液A;同时取1.9308g五水合硝酸铋放在另一个50ml小烧杯中,加入12ml硝酸(2M),搅拌1h,作为溶液B;将溶液B倒入溶液A中,然后称取300mg步骤(1)中得到的g-C3N4加入到混合溶液中,超声10min;
(3)将步骤(2)中得到的悬浊液放在50ml的反应釜中,在160摄氏度下反应12h;
(4)待步骤(3)中反应完成后,将所得产品离心得到沉淀物,然后用去离子水和无水乙醇分别清洗三遍,将清洗后的沉淀物放在真空干燥箱中干燥一晚上,得到BiOBr/g-C3N4
实施例4
g-C3N4的制备:
(1)和实施例1的步骤(1)相同;
BiOBr/g-C3N4的制备:
(2)称取1.436g十六烷基三甲基溴化铵置于小烧杯中,用量筒量取16ml乙二醇倒入烧杯中,搅拌60min,作为溶液A;同时取1.9308g五水合硝酸铋放在另一个50ml小烧杯中,加入12ml硝酸(2M),搅拌1h,作为溶液B;将溶液B倒入溶液A中,然后称取150mg步骤(1)中得到的g-C3N4加入到混合溶液中,超声10min;
(3)将步骤(2)中得到的悬浊液放在50ml的反应釜中,在160摄氏度下反应12h。
(4)待步骤(3)中反应完成后,将所得产品离心得到沉淀物,然后用去离子水和无水乙醇分别清洗三遍,将清洗后的沉淀物放在真空干燥箱中干燥一晚上,得到BiOBr/g-C3N4
称取实施例1~4所制备得到的产物30mg,在可见光(λ>420nm)的照射下降解50ml10ppm的双酚A溶液的降解效果比较,详见附图2(在图中,GCN表示g-C3N4)。由附图2可知,在可见光的照射下,当BiOBr:g-C3N4=4:1时,制备出来的复合光催化材料降解双酚A的能力最强,其在120min内将双酚A全部降解;在100min内将甲基橙降解了95.5%。
综上,本发明通过将近年来受到广泛关注的Bi系半导体光催化剂与类石墨相氮化碳复合,利用溶剂热的方法将二者复合在一起形成一种新的异质结,在模拟太阳光(λ>420nm)照射下,由于两种光催化剂具有协同作用,从而提高电子空穴的分离率,最终提高光催化剂的降解效果。

Claims (8)

1.一种片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将三聚氰胺在400~700℃条件下煅烧3~5h,得到黄色的粉末状g-C3N4材料;
(2)将十六烷基三甲基溴化铵和乙二醇混合,并搅拌30~60min,作为溶液A;将五水合硝酸铋与硝酸溶液混合,并搅拌0.5~1.5h,作为溶液B;将溶液B倒入溶液A中,然后将步骤(1)中得到的g-C3N4材料加入到混合溶液中,超声10~15min,得到悬浊液;
(3)将步骤(2)中得到的悬浊液置于反应釜中,在140~180℃条件下反应10~14h;
(4)待步骤(3)中反应完成后,分离出沉淀物,将沉淀物洗涤、干燥,得到片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(2)中,硝酸溶液的浓度为2M。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(2)中,理论中产生的BiOBr与g-C3N4材料的质量比为8:1、4:1、1:1或1:4。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(3)中,反应釜的内衬为聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1~4任一权利要求所述的方法得到的片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料。
6.根据权利要求5所述的片状g-C3N4复合花瓣状BiOBr光催化材料的应用。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于,所述的BiOBr/g-C3N4光催化材料用于降解有机物。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,所述的BiOBr/g-C3N4光催化材料用于降解双酚A、甲基橙、亚甲基蓝或罗丹明B。
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