CN116037191A - 一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Fe掺杂的g‑C3N4/BiVO4异质结光催化剂、制备方法及应用，属于光催化降解技术领域。该异质结光催化剂的制备方法为：先配制一定量的硝酸铁溶液，再往硝酸铁溶液中加入一定量的尿素，加热搅拌溶解后，蒸发掉水分，得到混合固体，将混合固体研磨后放到坩埚中，将坩埚置于马弗炉中，以生成Fe掺杂的g‑C3N4。然后再以Fe‑g‑C3N4、九水合硝酸铋、偏钒酸铵为原料，采用水热法制备Fe掺杂的g‑C3N4/BiVO4异质结光催化剂。该方法获得的光催化剂中Fe‑g‑C3N4的质量分数为15％，九水合硝酸铋和偏钒酸铵的摩尔比为1:1，制备Fe‑g‑C3N4的原料硝酸铁和尿素的质量比为0.2％；本发明应用于全氟化物的吸附‑降解去除具有显著效果。
Description
技术领域
本发明涉及光催化剂制备技术领域，更具体地说，涉及一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4光催化剂、制备方法及在全氟化物污水处理中的应用。
背景技术
全氟化物属于一类人工合成的含氟有机化合物，自20世纪50年代以来，全氟化合物被广泛用作金属表面保护剂，用于航空、交通、电子和厨房用具。由于高能氟碳键的稳定性，它们具有很高的稳定性，在环境中很难降解。因此，全氟化合物持续存在于环境中，并在生物体中富集。全氟化合物经常在许多环境基质和生物样本中被监测到，包括地表水和地下水、土壤、沉积物以及野生动物和人体中。作为一种新型的持久性污染物，其对于人体的危害越来越令人担忧。因此，亟需找到一种合理高效的处理全氟化物废水的方法。
目前全氟化物污水处理的主要方法有：生物法、膜技术、吸附和光降解等。生物法中常规的活性污泥处理工艺或膜生物反应器处理PFAS的效果不佳，出水中PFOA/PFOS的质量流量保持不变甚至增加。在活性污泥处理过程中，进水中的过氧化物化合物也可能经历生物降解，从而导致二级出水中会有额外的PFOA/PFOS污染物。因此，去除PFAS需要三级处理，如吸附、高级氧化/还原、离子交换、膜过滤或声波分解。膜技术处理污染程度相对要求较高，需要进行预处理以防止膜的污染，从而增加了系统的操作成本和复杂性。以上处理技术有高能耗或产生污染严重的废物等缺点。而光催化技术可以利用太阳光产生高活性的自由基，以达到降解PFOA的目的。与膜分离法相比，光催化技术可以将有害的PFOA无害化，且去除率波动不会很大，运行成本较低。
光催化技术是一种新兴的污水处理技术，因光催化技术对环境的污染很小，而受到越来越多的学者的关注。光催化技术中最主要的就是催化剂，而目前研究中的光催化剂主要问题就是光生电子空穴分离效率低，光生载流子易复合，以及对太阳光的利用率低等问题。为了解决这些问题，需要对催化剂进行改性，以提高光催化剂的整体催化性能。
经检索，专利申请号202110281797.7，申请公布日2021年6月25日，专利名称为：一种B掺杂的g-C3N4/BiVO4光催化剂及其制备与应用，该申请案所述催化剂以B掺杂的g-C3N4、钒酸盐以及铋盐为基础材料，经高温煅烧而成；其中，所述煅烧温度不低于400℃；且，当通过拉曼散射效应对散射光谱进行分析时，所述光催化剂在820.0±1.0cm-1处具有峰，并且在298.2±0.5cm-1处具有峰。基于制备的B掺杂异质结g-C3N4/BiVO4催化剂辅助优化含卤代酚废水处理过程中菌群结构，且在光催化降解的作用下，生物膜利用光催化降解后生成的中间产物作为能量，加速生物膜成熟，系统可以实现快速启动。该申请案中对单一催化剂g-C3N4进行改性采用的是非金属元素掺杂的方法，这种非金属元素掺杂的方法通过直接改变半导体的能带位置，从而改变催化剂的禁带宽度以吸收更大波长的可见光；半导体对光的吸收范围有限，抑制光生载流子复合的效果也相对较差。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂、制备方法，以及将所制备的光催化剂应用于全氟化物的吸附-催化降解，本发明对催化剂进行改性，将铁掺杂到氮化碳中，再将制作好的铁掺杂氮化碳与钒酸铋进行复合，采用水热制备方法构建Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂，提高了光催化剂的整体催化性能。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂的制备方法，其步骤为：
步骤一、配制一定摩尔浓度的硝酸铁溶液，在硝酸铁溶液中加入一定质量的尿素，加热搅拌使其充分溶解；将溶液蒸发水分，得到固体，再将固体研磨至粉末，再将研磨后的粉末放到坩埚中，将坩埚置于马弗炉中，进行高温热解，获得Fe-g-C3N4；
步骤二、配制一定体积的稀硝酸溶液，取一定量的步骤一中得到的Fe-g-C3N4和一定量的九水合硝酸铋加入到稀硝酸溶液中，搅拌均匀得到溶液A；
步骤三、取一定量的偏钒酸铵，加入去离子水，加热搅拌使其溶解，得到溶液B；
步骤四、将溶液B边搅拌边加入到溶液A中，得到溶液C并搅拌，将搅拌后的溶液C倒入反应釜中进行水热反应，得到Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂；
步骤五、用去离子水和无水乙醇对催化剂进行3次离心洗涤后并烘干，最终得到Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂成品。
更进一步地，所述的步骤一中，制备Fe-g-C3N4的原料硝酸铁和尿素的质量比为0.2％；热解温度范围为450-550℃，升温速率为10-15℃/min，热解反应时间为2-3h。
更进一步地，所述的步骤二中，稀硝酸溶液的浓度为0.4mol/L，加入稀硝酸溶液中的Fe-g-C3N4和九水合硝酸铋的质量比为1:10；搅拌时间15-20min。
更进一步地，所述的步骤三中，偏钒酸铵的用量，需保证偏钒酸铵和硝酸铋的摩尔比为1:1。
更进一步地，所述的步骤四中，溶液C的搅拌时间为30min，水热反应的温度为170℃，反应时间为18h。
更进一步地，所述的步骤五中，将水热反应后的Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂用去离子水和无水乙醇离心洗涤三次后，放入真空干燥箱中，在70℃下烘干，得到Fe-g-C3N4/BiVO4复合光催化剂。
本发明的一种光催化剂，其特征在于：催化剂中Fe-g-C3N4的质量分数为15％，硝酸铋与偏钒酸铵的摩尔比为1:1，制备Fe-g-C3N4的原料硝酸铁和尿素的质量比为0.2％；Fe-g-C3N4的制备方法为高温热解法，光催化剂的制备方法为水热法。
本发明的一种光催化剂的应用，其特征在于：将Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂应用于全氟化物污水处理。
更进一步地，其步骤为：
S1、称取干燥至恒重的一定量Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂；
S2、将Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂加入到盛有全氟化物废水的石英管中，石英管中加入转子，温度为10±0.5℃，pH为2-8，将石英管放在光反应仪中，转子转速为100-150r/min，无光吸附12h；
S3、达到吸附平衡后，采用500W氙灯模拟可见光照射，进行光降解。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)鉴于现有的全氟化物处理方法如生物法、吸附法、膜技术等，处理成本高，技术复杂且对环境产生的危害较大，本发明提供了一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂，其能够对全氟化物进行吸附和化学降解处理，能够较好地去除废水中的全氟化物污染物。铋基半导体BiVO4是一种无毒的金属光催化剂，属于n型半导体，它具有良好的离子导电性、可见光吸收能力、化学稳定性、光腐蚀性能小，具有优异的化学和光子性能等优点，Fe掺杂的氮化碳有光电灵敏度高、吸收系数高、光响应快等特点，将Fe-g-C3N4与BiVO4进行复合，构建异质结构，可以提高光催化剂的光生电子空穴分离效率，提高整体的光催化效率。且制备方法简单，易于操作，生产成本相对较低。此方法制备的Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂可实现对全氟化物的有效去除。
(2)相对于采用非金属元素掺杂的方法对单一催化剂g-C3N4进行改性，本发明是采用金属离子掺杂的方法对g-C3N4进行改性，其目的是通过在半导体的禁带内产生一个掺杂能级，从而拓展半导体对光的吸收范围，同时也可以作为光生电子或者空穴捕获位点，捕获光生电子或者空穴，从而抑制光生载流子的复合。且本发明采用水热法将Fe-g-C3N4和BiVO4进行复合，水热法所制备的催化剂粒径较小，所以其比表面积较大，对水溶液中的污染物吸附效果越好，从而光催化效果也越好。
附图说明
图1为Fe-g-C3N4/BiVO4降解PFOA的光降解动力学图，PFOA初始浓度为50mg/L，Fe-g-C3N4/BiVO4的投加量为0.1g，溶液pH＝3.6，温度为1010.5℃。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
本发明的一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂的制备方法，主要包括以下步骤：
(1)取一定量的Fe(NO3)3·9H2O溶于去离子水中，搅拌混合均匀，再往混合液中加入一定量的尿素，搅拌混合。将混合物蒸发水分后得到混合固体。然后将固体研磨，得到粉末。
(2)将粉末放到到坩埚中，置于马弗炉中进行热解反应便得到了Fe掺杂g-C3N4(Fe-g-C3N4)。
(3)将一定量的Bi(NO3)3·5H2O和Fe-g-C3N4用超声波均匀分散到稀硝酸中并均匀搅拌10min得到溶液A。
(5)取一定量NH4VO3于去离子水中，加热搅拌使其溶解，得到溶液B。
(6)将溶液B边搅拌边滴入溶液A中得到溶液C，并加热搅拌30min。
(7)最终将溶液C转移到反应釜中，将反应釜置于鼓风干燥箱中，设置温度为170℃，进行水热反应，将水热反应后的Fe-g-C3N4/BiVO4复合光催化剂用去离子水和无水乙醇进行离心洗涤三次后，放入真空干燥箱中在70℃下烘干，即可得到Fe-g-C3N4/BiVO4复合光催化剂。
Fe-g-C3N4/BiVO4对全氟化物的吸附-催化降解，具体操作如下：
(1)称取干燥至恒重的Fe-g-C3N4/BiVO4光催化剂放入50mL的石英管中；
(2)在石英管中加入一定浓度的PFOA溶液，加入转子，在温度为1010.5℃，pH为2-8，转子转速为100～150r/min的条件下进行无光吸附12小时；在充分达到吸附平衡后进行光降解。光降解条件：pH为2-8，转子转速为100～150r/min，氙灯照射功率为500W。波长范围为390-780nm。在吸附降解实验过程中，通过紫外可见分光光度计测定计算前后石英管中PFOA溶液的浓度，检测Fe-g-C3N4/BiVO4光催化剂吸附降解效果。
本发明通过实施例进行进一步说明：
实施例1
(1)制备Fe-g-C3N4：将0.02g的Fe(NO3)3·9H2O溶于30mL去离子水中，搅拌混合均匀，再往混合液中加入10g的尿素混合均匀，连续搅拌0.5h。将混合溶液加热到60℃蒸发水分，将蒸发后的固体放于玛瑙研钵中研磨成粉末。最后，将粉末放到到坩埚中，于马弗炉中加热到550℃以进行热解反应，加热时间为2h，升温速率为5℃/min。热解反应结束后等它冷却至室温，便得到了Fe掺杂的g-C3N4(Fe-g-C3N4)。
(2)制备Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂：将0.485g Bi(NO3)3·5H2O和0.0485gFe-g-C3N4用超声波均匀分散到30mL 0.4M HNO3中，均匀搅拌10min得到溶液A。取0.117g NH4VO3于50ml烧杯中，加入30mL蒸馏水，加热使其溶解，得到溶液B。将溶液B边搅拌边滴入到溶液A中得到溶液C，并将溶液C在45℃下加热搅拌30min。将溶液C液转移到反应釜中，170℃加热18h，反应结束后得到的样品用去离子水和乙醇中进行3次离心清洗后，放在70℃真空干燥箱中干燥10h。即得到Fe-g-C3N4/BiVO4异质结复合光催化剂。
(3)吸附-降解效果：选择全氟化物中的全氟辛酸(记为PFOA)为代表。分别取0.1gFe-g-C3N4/BiVO4，50mL的50mg/L的PFOA溶液2份；分别置于50mL石英管中，置于温度为10±0.5℃，pH＝3.6条件下，转子转速为100r/min光催化反应器中无光吸附12h。吸附完毕后，通过输出功率为500W的氙灯模拟可见光照射六小时。取无光吸附和光催化作用降解后的溶液，经测定和计算，Fe-g-C3N4/BiVO4对PFOA的吸附率为9％；Fe-g-C3N4/BiVO4对PFOA的光降解效率为63.5％。本实施例的降解效果如图1所示。
实施例2
(1)制备Fe-g-C3N4：将0.05g的Fe(NO3)3·9H2O溶于30mL去离子水中，搅拌混合均匀，再往混合液中加入25g的尿素混合均匀，连续搅拌0.5h。将混合溶液加热到60℃蒸发水分，将蒸发后的固体放于玛瑙研钵中研磨成粉末。最后，将粉末放到到坩埚中，于马弗炉中加热到550℃以进行热解反应，加热时间为2h，升温速率为10℃/min。热解反应结束后等它冷却至室温，便得到了Fe掺杂的g-C3N4(Fe-g-C3N4)。
(2)制备Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂：将0.97g Bi(NO3)3·5H2O和0.097g Fe-g-C3N4用超声波均匀分散到60mL 0.4M HNO3中，均匀搅拌10min得到溶液A。取0.234g NH4VO3于50ml烧杯中，加入30mL蒸馏水，加热使其溶解，得到溶液B。将溶液B边搅拌边滴入到溶液A中得到溶液C，并将溶液C在45℃下加热搅拌30min。将溶液C液转移到反应釜中，170℃加热18h，反应结束后得到的样品用去离子水和乙醇中进行3次离心清洗后，放在70℃真空干燥箱中干燥10h。即得到Fe-g-C3N4/BiVO4异质结复合光催化剂。
(3)吸附-降解效果：选择全氟化物中的全氟辛酸(记为PFOA)为代表。分别取0.03gFe-g-C3N4/BiVO4，50mL的50mg/L的PFOA溶液2份；分别置于50mL石英管中，置于温度为10±0.5℃，pH＝4.4条件下，转子转速为100r/min光催化反应器中无光吸附12h。吸附完毕后，通过输出功率为500W的氙灯模拟可见光照射24小时。取暗吸附和光催化作用降解后的溶液，经测定和计算，Fe-g-C3N4/BiVO4对PFOA的吸附率为8.21％；Fe-g-C3N4/BiVO4对PFOA的光降解效率为45.78％。
实施例3
(1)制备Fe-g-C3N4：将0.04g的Fe(NO3)3·9H2O溶于30mL去离子水中，搅拌混合均匀，再往混合液中加入20g的尿素混合均匀，连续搅拌0.5h。将混合溶液加热到60℃蒸发水分，将蒸发后的固体放于玛瑙研钵中研磨成粉末。最后，将粉末放到到坩埚中，于马弗炉中加热到550℃以进行热解反应，加热时间为2h，升温速率为10℃/min。热解反应结束后等它冷却至室温，便得到了Fe掺杂的g-C3N4(Fe-g-C3N4)。
(2)制备Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂：将0.485g Bi(NO3)3·5H2O和0.0485gFe-g-C3N4用超声波均匀分散到30mL 0.4M HNO3中，均匀搅拌10min得到溶液A。取0.117g NH4VO3于50ml烧杯中，加入30mL蒸馏水，加热使其溶解，得到溶液B。将溶液B边搅拌边滴入到溶液A中得到溶液C，并将溶液C在45℃下加热搅拌30min。将溶液C液转移到反应釜中，170℃加热18h，反应结束后得到的样品用去离子水和乙醇中进行3次离心清洗后，放在70℃真空干燥箱中干燥10h。即得到Fe-g-C3N4/BiVO4异质结复合光催化剂。
(3)吸附-降解效果：选择全氟化物中的全氟辛酸(记为PFOA)为代表。分别取0.06gFe-g-C3N4/BiVO4，50mL的100mg/L的PFOA溶液2份；分别置于50mL石英管中，置于温度为10±0.5℃，pH＝3.6条件下，转子转速为100r/min光催化反应器中无光吸附12h。吸附完毕后，通过输出功率为500W的氙灯模拟可见光照射24小时。取暗吸附和光催化作用降解后的溶液，经测定和计算，Fe-g-C3N4/BiVO4对PFOA的吸附率为7.29％；Fe-g-C3N4/BiVO4对PFOA的光降解效率为40.47％。
实施例4
(1)制备Fe-g-C3N4：将0.03g的Fe(NO3)3·9H2O溶于30mL去离子水中，搅拌混合均匀，再往混合液中加入15g的尿素混合均匀，连续搅拌0.5h。将混合溶液加热到60℃蒸发水分，将蒸发后的固体放于玛瑙研钵中研磨成粉末。最后，将粉末放到到坩埚中，于马弗炉中加热到550℃以进行热解反应，加热时间为2h，升温速率为15℃/min。热解反应结束后等它冷却至室温，便得到了Fe掺杂的g-C3N4(Fe-g-C3N4)。
(2)制备Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂：将0.97g Bi(NO3)3·5H2O和0.097g Fe-g-C3N4用超声波均匀分散到75mL 0.4M HNO3中，均匀搅拌10min得到溶液A。取0.234g NH4VO3于50ml烧杯中，加入30mL蒸馏水，加热使其溶解，得到溶液B。将溶液B边搅拌边滴入到溶液A中得到溶液C，并将溶液C在45℃下加热搅拌30min。将溶液C液转移到反应釜中，170℃加热18h，反应结束后得到的样品用去离子水和乙醇中进行3次离心清洗后，放在70℃真空干燥箱中干燥10h。即得到Fe-g-C3N4/BiVO4异质结复合光催化剂。
(3)吸附-降解效果：选择全氟化物中的全氟辛酸(记为PFOA)为代表。分别取0.06gFe-g-C3N4/BiVO4，50mL的50mg/L的PFOA溶液2份；分别置于50mL石英管中，置于温度为10±0.5℃，pH＝3.6条件下，转子转速为100r/min光催化反应器中无光吸附12h。吸附完毕后，通过输出功率为500W的氙灯模拟可见光照射24小时。取暗吸附和光催化作用降解后的溶液，经测定和计算，Fe-g-C3N4/BiVO4对PFOA的吸附率为8.59％；Fe-g-C3N4/BiVO4对PFOA的光降解效率为60.59％。
Claims (9)
1.一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，其步骤为：
步骤一、配制一定摩尔浓度的硝酸铁溶液，在硝酸铁溶液中加入一定质量的尿素，加热搅拌使其充分溶解；将溶液蒸发水分，得到固体，再将固体研磨至粉末，再将研磨后的粉末放到坩埚中，将坩埚置于马弗炉中，进行高温热解，获得Fe-g-C3N4；
步骤二、配制一定体积的稀硝酸溶液，取一定量的步骤一中得到的Fe-g-C3N4和一定量的九水合硝酸铋加入到稀硝酸溶液中，搅拌均匀得到溶液A；
步骤三、取一定量的偏钒酸铵，加入去离子水，加热搅拌使其溶解，得到溶液B；
步骤四、将溶液B边搅拌边加入到溶液A中，得到溶液C并搅拌，将搅拌后的溶液C倒入反应釜中进行水热反应，得到Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂；
步骤五、用去离子水和无水乙醇对催化剂进行3次离心洗涤后并烘干，最终得到Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂成品。
2.根据权利要求1所述的一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤一中，制备Fe-g-C3N4的原料硝酸铁和尿素的质量比为0.2％；热解温度范围为450-550℃，升温速率为10-15℃/min，热解反应时间为2-3h。
3.根据权利要求1或2所述的一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤二中，稀硝酸溶液的浓度为0.4mol/L，加入稀硝酸溶液中的Fe-g-C3N4和九水合硝酸铋的质量比为1:10；搅拌时间15-20min。
4.根据权利要求3所述的一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤三中，偏钒酸铵的用量，需保证偏钒酸铵和硝酸铋的摩尔比为1:1。
5.根据权利要求4所述的一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤四中，溶液C的搅拌时间为30min，水热反应的温度为170℃，反应时间为18h。
6.根据权利要求5所述的一种Fe掺杂的g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤五中，将水热反应后的Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂用去离子水和无水乙醇离心洗涤三次后，放入真空干燥箱中，在70℃下烘干，得到Fe-g-C3N4/BiVO4复合光催化剂。
7.一种权利要求1-6任一项所述方法制备的光催化剂，其特征在于：催化剂中Fe-g-C3N4的质量分数为15％，硝酸铋与偏钒酸铵的摩尔比为1:1，制备Fe-g-C3N4的原料硝酸铁和尿素的质量比为0.2％；Fe-g-C3N4的制备方法为高温热解法，光催化剂的制备方法为水热法。
8.一种权利要求7所述的光催化剂的应用，其特征在于：将Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂应用于全氟化物污水处理。
9.根据权利要求8所述的光催化剂的应用，其特征在于，其步骤为：
S1、称取干燥至恒重的一定量Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂；
S2、将Fe-g-C3N4/BiVO4异质结光催化剂加入到盛有全氟化物废水的石英管中，石英管中加入转子，温度为10±0.5℃，pH为2-8，将石英管放在光反应仪中，转子转速为100-150r/min，无光吸附12h；
S3、达到吸附平衡后，采用500W氙灯模拟可见光照射，进行光降解。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105148974A (zh) * | 2015-09-29 | 2015-12-16 | 陕西科技大学 | 一种高活性mpg-C3N4/RE-BiVO4异质结光催化剂及其制备方法和应用 |
| CN108144572A (zh) * | 2017-12-28 | 2018-06-12 | 江苏大学 | 一种石墨相氮化碳在去除水中全氟辛酸的应用 |
| CN108339562A (zh) * | 2018-02-11 | 2018-07-31 | 济南大学 | 一种铁离子掺杂的氮化碳纳米管的制备方法及所得产品 |
| CN112452348A (zh) * | 2020-11-03 | 2021-03-09 | 扬州大学 | 一种钒酸铋掺杂石墨相氮化碳纳米片光催化剂的制备方法 |
| EP3848122A1 (en) * | 2020-01-09 | 2021-07-14 | Nankai University | Visible light catalytic material and preparation method and application thereof |
| CN114620799A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-06-14 | 北京北方宏拓环境科技有限公司 | 一种光催化去除水中全氟化合物的方法 |
-
2023
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105148974A (zh) * | 2015-09-29 | 2015-12-16 | 陕西科技大学 | 一种高活性mpg-C3N4/RE-BiVO4异质结光催化剂及其制备方法和应用 |
| CN108144572A (zh) * | 2017-12-28 | 2018-06-12 | 江苏大学 | 一种石墨相氮化碳在去除水中全氟辛酸的应用 |
| CN108339562A (zh) * | 2018-02-11 | 2018-07-31 | 济南大学 | 一种铁离子掺杂的氮化碳纳米管的制备方法及所得产品 |
| EP3848122A1 (en) * | 2020-01-09 | 2021-07-14 | Nankai University | Visible light catalytic material and preparation method and application thereof |
| CN112452348A (zh) * | 2020-11-03 | 2021-03-09 | 扬州大学 | 一种钒酸铋掺杂石墨相氮化碳纳米片光催化剂的制备方法 |
| CN114620799A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-06-14 | 北京北方宏拓环境科技有限公司 | 一种光催化去除水中全氟化合物的方法 |
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