CN110026225A - 一种具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有可见光催活性的In‑NH2/g‑C3N4复合材料及其应用,可以有效的去除水中有机污染物(如四环素)。首先使用热缩合的方法得到粉末的石墨相氮化碳(g‑C3N4),再通过氧化刻蚀的方法制备g‑C3N4纳米片,接着通过溶剂热法在CNNS原位生长针状In‑NH2,得到具有高效可见光催化活性的In‑NH2/g‑C3N4复合纳米材料。本发明首先制备g‑C3N4纳米片,有利于针状的In‑NH2在其表面生长并相互之间有着紧密的界面接触,形成有效形成异质结和促进光生电子和空穴的分离,增强可见光催化降解有机污染物的性能,并且结构稳定可多次循环使用,在水处理领域有着巨大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于无机-有机复合材料技术领域,涉及一种具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料及其制备方法与应用,可有效去除水中有机污染物。
背景技术
随着工业的飞速发展,产生了越来越多的废水,造成了严重的环境问题。工业废水中经常含有有机化合物,它们是有毒的并难以直接生物降解。有机污染物主要包括: 有机染料、酚类、联苯、农药、增塑剂、洗涤剂、药品等。其中有机染料有超过10万种染料,每年生产超过7105吨。这些有机染料具有化学稳定性,在水中不易生物降解,这使得它们对生态环境有潜在危害。有机染料最大的环境问题之一是它们吸收和反射照入水中的阳光,干扰细菌的生长到足以降解水中杂质的水平。有机废水因其高毒性且难以降解,已成为当今最严重的全球环境问题之一。有机污染物一旦释放到水生生态系统中,就会造成各种环境问题,例如堵塞污水处理厂,对水生生物群产生不利影响,增加生化氧气。因此,需要开发一种有效且经济的技术来降低废水中有机污染物的浓度。
目前,工业上可用的废水处理技术,例如吸附和凝结,仅仅将这些污染物从水中浓缩或分离,但不能完全去除或分解为可生物降解或毒性较小的有机化合物,甚至为CO2、H2O或无机盐。其他水处理方法,如化学和膜技术,通常涉及高运行成本,有时会产生其他有毒的二次污染物。非均相可见光催化技术因具有催化剂可回收、效率高、可持续(太阳能为可持续清洁能源)、无二次污染等优势,而在降解有机污染物领域得到了越来越多的关注。目前常用的可见光催化剂大多数为单一组分,存在可见光吸附范围窄,光生电子和空穴对易重组、对污染物质量传输速率低等缺点。纳米复合材料则能充分改善单一组分光催化剂的这些不足;但是现有纳米复合材料具有比表面积不大,界面接触不紧密,电子和空穴转移受限的缺点。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供一种具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料及其制备方法;本发明的复合材料作为一种新型无机材料光催化剂之一,制备方法简单,比表面积大、有着明显的界面接触、光生电子和空穴对得到有效的分离。
本发明采用的技术方案是:
一种具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料,其制备方法包括以下步骤:在空气中,对粉末g-C3N4进行热氧化刻蚀得到g-C3N4纳米片;然后通过溶剂热法在g-C3N4纳米片上原位生长针状的In-NH2得到In-NH2/g-C3N4复合材料。
本发明公开了一种去除水中有机污染物的方法,包括以下步骤:
(1)在空气中,对粉末g-C3N4进行热氧化刻蚀得到g-C3N4纳米片;然后通过溶剂热法在g-C3N4纳米片上原位生长针状的In-NH2得到In-NH2/g-C3N4复合材料;
(2)将铟盐溶于溶剂中,再加入氨基化合物,然后于80~150℃反应2~10小时,得到针状的In-NH2;
(3)然后将In-NH2/g-C3N4复合材料或者针状的In-NH2加入含有有机污染物的水中,搅拌,完成水中有机污染物的去除。
本发明中,所述热氧化刻蚀的温度为300~500 ℃;热氧化刻蚀的时间为2~5小时;热氧化刻蚀的升温速度为2~10 ℃/min。
本发明中,粉末g-C3N4的制备方法为,在空气中,将尿素于550 ℃煅烧4小时,然后冷却到室温,再研磨产物得到粉末g-C3N4。
本发明中,通过溶剂热法在g-C3N4纳米片原位生长针状的In-NH2具体步骤为:将g-C3N4纳米片分散在溶剂中,然后加入铟盐,再加入氨基化合物,然后于80~150℃反应2~10小时,在g-C3N4纳米片上原位生长针状的In-NH2,即得到In-NH2/g-C3N4复合材料。优选的,将g-C3N4纳米片分散在溶剂中,超声30分钟后加入铟盐,搅拌60分钟再加入氨基化合物。
本发明还公开了一种针状的In-NH2,其制备方法为,将铟盐溶于溶剂中,再加入氨基化合物,然后于80~150℃反应2~10小时,得到针状的In-NH2。
本发明中,所述铟盐与氨基化合物的摩尔比为1:(0.1~0.5);g-C3N4纳米片与铟盐的质量比为1:(10~15);所述溶剂为二甲基亚砜、N, N-二甲基甲酰胺或N, N-二甲基乙酰胺;所述铟盐为硝酸铟或三氯化铟;所述氨基化合物为2-氨基对苯二甲酸。
本发明中,所述溶剂热反应结束后,离心分离,将得到的固体物分别用N, N-二甲基甲酰胺和无水乙醇洗涤,然后真空干燥,得到In-NH2/g-C3N4复合材料。
本发明还公开了上述具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料或者针状的In-NH2在可见光催化降解水中有机污染物中的应用。
本发明中,将In-NH2/g-C3N4复合材料或者针状的In-NH2加入含有有机污染物的水中,搅拌,完成水中有机污染物的去除时,搅拌先在黑暗中搅拌然后在可见光照射下搅拌。
本发明中,有机污染物为四环素。
本发明一种具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料或者针状的In-NH2的制备方法,可以为以下具体步骤:
(1)g-C3N4纳米片的制备
通过热缩合和氧化刻蚀的过程制备g-C3N4纳米片。30 g尿素加入到氧化铝坩埚中,盖上盖子,放入管式炉中,以升温速度为2.5 ℃/min将管式炉在空气中加热到550 ℃,保温4小时;然后冷却到室温,将得到的黄色产物研磨成粉末(粉末g-C3N4)并放入敞开的坩埚中,以升温速度为2-10 ℃/min加热至300-500 ℃,保温2-5小时,然后冷却到室温,将得到的g-C3N4纳米片用去离子水洗涤几次,在100 ℃真空干燥箱中干燥12小时。
(2)针状In-NH2的制备
在室温下,0.5-2 mmol的铟盐和0.2-1 mmol的二氨基对苯二甲酸超声溶解在10 mL溶剂中。在搅拌1小时后,上述混合液转移到25 mL四氟乙烯内衬中,密封在不锈钢高压反应釜中,在80-150 ℃反应2-10小时。冷却到室温后,用N, N-二甲基甲酰胺和无水乙醇分别洗涤该产物三次并离心,在100 ℃真空干燥箱中干燥12小时,得到淡黄色的粉末。
(3)In-NH2/g-C3N4的制备
25-100 mg的g-C3N4纳米片粉末超声分散在10 mL溶剂中。在超声30分钟后,加入0.5-2mmol的铟盐。在搅拌60分钟后,加入0.2-1 mmol的二氨基对苯二甲酸并搅拌30分钟。之后,该混合液被转移到25 mL四氟乙烯内衬中,密封在不锈钢高压反应釜中,80-150 ℃反应2-10小时。离心收集产物,用N, N-二甲基甲酰胺和无水乙醇分别洗涤几次。最终的产物放入真空干燥箱中,在100 ℃干燥12小时。
本发明的有益效果:本发明公开的一种具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料作为光催化剂,具有比表面积大,针状In-NH2与g-C3N4纳米片有着紧密的界面接触,易于形成异质结,有助于电子和空穴的分离,能够有效的光催化降解水中有机污染物,易于分离以及可循环使用,对环境不造成二次污染等优点;同时本发明制备的In-NH2/g-C3N4复合材料的原料廉价易得,工艺简单,合成成本低,具有很大的工业应用潜力。
附图说明
图1为实施例一中g-C3N4纳米片的透射电镜图;
图2为实施例二中针状In-NH2的透射电镜图;
图3为实施例三中In-NH2/g-C3N4复合材料制备的工艺流程图;
图4为实施例三中In-NH2/g-C3N4的透射电镜图;
图5为实施例三中In-NH2/g-C3N4氮气吸附-脱吸附等温线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行进一步说明,但不限于此。
实施例一:g-C3N4纳米片的制备
通过热缩合和氧化刻蚀的过程制备g-C3N4纳米片。30 g尿素加入到氧化铝坩埚中,盖上盖子,放入管式炉中。将管式炉在空气中加热到550 ℃,升温速度为2.5 ℃/min,煅烧4小时。冷切到室温后,得到的黄色产物研磨成粉末并放入敞开的坩埚中,在500 ℃加热2小时,升温速度为2.5 ℃/min。之后,得到的g-C3N4纳米片用去离子水洗涤几次,在100 ℃真空干燥箱中干燥12小时。
实施例二:针状In-NH2的制备
在室温下,1.5 mmol的硝酸铟和0.5 mmol的二氨基对苯二甲酸超声溶解在10 mL N,N-二甲基甲酰胺中。在搅拌1小时后,上述混合液转移到25 mL四氟乙烯内衬中,密封在不锈钢高压反应釜中,在150 ℃反应10小时。冷却到室温后,用N, N-二甲基甲酰胺和无水乙醇分别洗涤该产物三次并离心,在100 ℃真空干燥箱中干燥12小时,得到淡黄色的粉末。从附图2中可以看出,合成的In-NH2为针状材料。
实施例三:In-NH2/g-C3N4纳米复合材料的制备
In-NH2/g-C3N4的合成路线参见附图3。50 mg的g-C3N4纳米片(实施例一)超声分散在10mL N, N-二甲基甲酰胺中。在超声30分钟后,加入1.5 mmol的硝酸铟。在搅拌60分钟后,加入0.5 mmol的二氨基对苯二甲酸并搅拌30分钟。之后,该混合液被转移到25 mL四氟乙烯内衬中,密封在不锈钢高压反应釜中,125 ℃反应5小时。离心收集产物,用N, N-二甲基甲酰胺和无水乙醇分别洗涤几次。最终的产物放入真空干燥箱中,在100 ℃干燥12小时。从附图4中可以看出,针状的In-NH2在g-C3N4纳米片表面原位生长,相互之间有着紧密的界面接触。In-NH2/g-C3N4的氮气吸附-脱吸附等温线如附图5所示,基于国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)分类为I型等温线,主要是微孔,其比表面积为281 m2 g-1,平均孔尺寸为5.359 nm,总孔体积为0.313 cm3 g-1。
实施例四:In-NH2/g-C3N4纳米复合材料的制备
25 mg的g-C3N4纳米片(实施例一)超声分散在10 mL N, N-二甲基甲酰胺中。在超声30分钟后,加入1.5 mmol的硝酸铟。在搅拌60分钟后,加入0.5 mmol的二氨基对苯二甲酸并搅拌30分钟。之后,该混合液被转移到25 mL四氟乙烯内衬中,密封在不锈钢高压反应釜中,150 ℃反应5小时。离心收集产物,用N, N-二甲基甲酰胺和无水乙醇分别洗涤几次。最终的产物放入真空干燥箱中,在100 ℃干燥12小时。
实施例五:In-NH2/g-C3N4纳米复合材料的制备
100 mg的g-C3N4纳米片(实施例一)超声分散在10 mL N, N-二甲基甲酰胺中。在超声30分钟后,加入1.5 mmol的硝酸铟。在搅拌60分钟后,加入0.5 mmol的二氨基对苯二甲酸并搅拌30分钟。之后,该混合液被转移到25 mL四氟乙烯内衬中,密封在不锈钢高压反应釜中,125 ℃反应5小时。离心收集产物,用N, N-二甲基甲酰胺和无水乙醇分别洗涤几次。最终的产物放入真空干燥箱中,在100 ℃干燥12小时。
实施例六:g-C3N4纳米片对四环素可见光催化降解实验
光反应器为PCX50A Discover多通道光催化反应系统(北京泊菲来科技有限公司),LED灯(420 ≤ λ ≤ 800 nm,5 W,≈ 150 mW/cm2)作为可见光光源。50 mL 50 mg/L的素环素水溶液加到60 mL的圆柱形石英管中,称取25 mg上述实施例一中所得的g-C3N4纳米片分散于其中,磁力搅拌(500 rpm)。在照射之前,该悬浮液保持在黑暗中搅拌1小时,以达到吸附-脱吸附平衡,此时四环素去除率约3%。随后,打开LED灯。接着,每隔30分钟提取3 mL的样品,用0.22 μm水系过滤头过滤去去除固体催化剂。最终,降解之后剩余的TC的浓度用UV-vis光谱仪进行测定,其最大的吸收波长为357 nm。在光照150分钟后,四环素去除率约为30%。
实施例七:In-NH2对四环素可见光催化降解实验
光反应器为PCX50A Discover多通道光催化反应系统(北京泊菲来科技有限公司),LED灯(420 ≤ λ ≤ 800 nm,5 W,≈ 150 mW/cm2)作为可见光光源。50 mL 50 mg/L的素环素水溶液加到60 mL的圆柱形石英管中,称取25 mg上述实施例二中所得的In-NH2分散于其中,磁力搅拌(500 rpm)。在照射之前,该悬浮液保持在黑暗中搅拌1小时,以达到吸附-脱吸附平衡,此时四环素去除率约29%。随后,打开LED灯。接着,每隔30分钟提取3 mL的样品,用0.22 μm水系过滤头过滤去去除固体催化剂。最终,降解之后剩余的TC的浓度用UV-vis光谱仪进行测定,其最大的吸收波长为357 nm。在光照150分钟后,四环素去除率约为58%。
实施例八:In-NH2/g-C3N4对四环素可见光催化降解实验
光反应器为PCX50A Discover多通道光催化反应系统(北京泊菲来科技有限公司),LED灯(420 ≤ λ ≤ 800 nm,5 W,≈ 150 mW/cm2)作为可见光光源。50 mL 50 mg/L的素环素水溶液加到60 mL的圆柱形石英管中,称取25 mg上述实施例三中所得光催化剂In-NH2/g-C3N4分散于其中,磁力搅拌(500 rpm)。在照射之前,该悬浮液保持在黑暗中搅拌1小时,以达到吸附-脱吸附平衡,此时四环素去除率约43%。随后,打开LED灯。接着,每隔30分钟提取3mL的样品,用0.22 μm水系过滤头过滤去去除固体催化剂。最终,降解之后剩余的TC的浓度用UV-vis光谱仪进行测定,其最大的吸收波长为357 nm。在光照150分钟后,四环素去除率约为71%。采用同样的方法,将光催化剂In-NH2/g-C3N4更换为现有技术(103990486A)制备的纳米材料,在光照150分钟后,四环素去除率约为43%。
实施例九:In-NH2/g-C3N4对四环素可见光催化降解实验
光反应器为PCX50A Discover多通道光催化反应系统(北京泊菲来科技有限公司),LED灯(420 ≤ λ ≤ 800 nm,5 W,≈ 150 mW/cm2)作为可见光光源。50 mL 50 mg/L的素环素水溶液加到60 mL的圆柱形石英管中,称取25 mg上述实施例四中所得光催化剂In-NH2/g-C3N4分散于其中,磁力搅拌(500 rpm)。在照射之前,该悬浮液保持在黑暗中搅拌1小时,以达到吸附-脱吸附平衡,此时四环素去除率约38%。随后,打开LED灯。接着,每隔30分钟提取3mL的样品,用0.22 μm水系过滤头过滤去去除固体催化剂。最终,降解之后剩余的TC的浓度用UV-vis光谱仪进行测定,其最大的吸收波长为357 nm。在光照150分钟后,四环素去除率约为61%。
实施例十:In-NH2/g-C3N4对四环素可见光催化降解实验
光反应器为PCX50A Discover多通道光催化反应系统(北京泊菲来科技有限公司),LED灯(420 ≤ λ ≤ 800 nm,5 W,≈ 150 mW/cm2)作为可见光光源。50 mL 50 mg/L的素环素水溶液加到60 mL的圆柱形石英管中,称取25 mg上述实施例五中所得光催化剂In-NH2/g-C3N4分散于其中,磁力搅拌(500 rpm)。在照射之前,该悬浮液保持在黑暗中搅拌1小时,以达到吸附-脱吸附平衡,此时四环素去除率约39%。随后,打开LED灯。接着,每隔30分钟提取3mL的样品,用0.22 μm水系过滤头过滤去去除固体催化剂。最终,降解之后剩余的TC的浓度用UV-vis光谱仪进行测定,其最大的吸收波长为357 nm。在光照150分钟后,四环素去除率约为63%。
实施例十一:In-NH2/g-C3N4对四环素的循环降解实验
上述实施例八中光照150分钟后回收的复合材料依次用去离子水和无水乙醇洗涤,烘干,置于新鲜的50 mL 50 mg/L的四环素溶液中,LED灯光照150分钟,每个30分钟提取3 mL样品,降解之后剩余的TC的浓度用UV-vis光谱仪进行测定,其最大的吸收波长为357 nm。重复此过程三次,复合材料始终保持良好的光催化性能,照射150分钟,水溶液中四环素去除效率分别为71%、70%、70%。
Claims (10)
1.一种具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料,其特征在于,所述具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料的制备方法包括以下步骤:在空气中,对粉末g-C3N4进行热氧化刻蚀得到g-C3N4纳米片;然后通过溶剂热法在g-C3N4纳米片上原位生长针状的In-NH2得到具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料。
2. 根据权利要求1所述具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料,其特征在于,所述热氧化刻蚀的温度为300~500 ℃;热氧化刻蚀的时间为2~5小时;热氧化刻蚀的升温速度为2~10 ℃/min。
3.根据权利要求1所述具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料,其特征在于,将g-C3N4纳米片分散在溶剂中,然后加入铟盐,再加入氨基化合物,然后于80~150℃反应2~10小时,在g-C3N4纳米片上原位生长针状的In-NH2。
4.根据权利要求3所述具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料,其特征在于,所述铟盐与氨基化合物的摩尔比为1∶(0.1~0.5);g-C3N4纳米片与铟盐的质量比为1∶(10~15)。
5. 根据权利要求3所述具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料,其特征在于,所述溶剂为二甲基亚砜、N, N-二甲基甲酰胺或N, N-二甲基乙酰胺;所述铟盐为硝酸铟或三氯化铟。
6. 根据权利要求1所述具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料,其特征在于,在空气中,将尿素于550 ℃煅烧4小时,然后冷却到室温,再研磨产物得到粉末g-C3N4。
7.一种针状的In-NH2,其特征在于,所述针状的In-NH2的制备方法为,将铟盐溶于溶剂中,再加入氨基化合物,然后于80~150℃反应2~10小时,得到针状的In-NH2。
8. 权利要求7所述针状的In-NH2,其特征在于,所述铟盐与氨基化合物的摩尔比为1∶(0.1~0.5);所述溶剂为二甲基亚砜、N, N-二甲基甲酰胺或N, N-二甲基乙酰胺;所述铟盐为硝酸铟或三氯化铟。
9.权利要求1所述具有可见光催活性的In-NH2/g-C3N4复合材料或者权利要求7所述针状的In-NH2在可见光催化降解水中有机污染物中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,所述有机污染物为四环素。
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