多孔纳米网载gc3n4的可见光催化活性的增强工艺制备
以提高氮化碳（g-C3N4）的可见光催化活性为研究对象，采用经辐照改性后具有特殊纳米网络结构的凹凸棒土（IATP）对其进行负载，制备不同工艺的复合可见光材料。借助SEM，XRD，FTIR等方法对其微观结构及理化性质进行表征。再以亚甲基蓝为目标污染物进行可见光催化降解，比较不同工艺制备的复合可见光催化剂的催化降解效果，同时考察pH值、温度对降解过程的影响。结果表明当IATP与g-C3N4的负载比例为110时，在相同时间内对亚甲基蓝的降解率为97 %，纯g-C3N4为47 %，在pH 值为6温度313.15 K的条件下有最好的降解效率。 关键词 凹凸棒土，类石墨氮化碳，可见光催化，最佳工艺
目录
1 绪论 1
2实验部分 3
2.1 实验仪器 3
2.2实验药品 4
2.3 实验方法 4
2.3.1材料的制备方法 4
2.3.2表征方法 5
2.3.3光催化活性实验 6
3结果与讨论 6
3.1材料的表征 6
3.1.1SEM分析 7
3.1.2 XRD分析 8
3.1.3 FTIR分析 9
3.1.4 UVVis分析.................................................................................................................10
3.1.5 Zeta电位......................................................................................................................11
3.2光催化降解.....................................................................................................................12
3.2.1不同负载比例与纯gC3N4的光催化降解效率比较 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.2.2 PH值对光催化降解效率的影响 13
3.2.3 温度对光催化降解效率的影响 14
结论与展望 16
致 谢 18
参考文献 19
1 绪论
1.1 类石墨氮化碳
日益严重的环境污染和能源短缺威胁着人类的正常生产活动，半导体光催化技术[1]作为一种清洁安全的环境污染物去除技术得到了广泛的关注与研究。类石墨相氮化碳（gC3N4）是一种不含金属的半导体催化剂，由地球上含量最多的C、N元素组成。其在可见光下有很好的水解制氢和分解有机污染物的能力，gC3N4禁带宽度2.7 eV，相应的光吸收波长是 460 nm。gC3N4不但价格低廉、环保，可由多种常见的原料制得，如氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿素，这些特点使得gC3N4成为光催化材料领域的研究热点。
然而由于其存在体相材料的比表面积小，光生载流子的寿命较短、负荷率较高等问题，从而导致其可见光催化活性受到了极大的限制，不能很好的发挥出其光催化降解能力。基于上述问题，目前的主要改性方法有：金属掺杂，半导体复合，吸附基材负载等。
1.2 gC3N4可见光催化活性的提高方法
金属离子掺杂主要是通过掺杂将金属离子引入到半导体的晶格结构。引入阳离子后可以改变晶格的结构类型，或者出现缺陷，这样就会改变光生载流子的运动状况、分布状态和半导体的能带结构，从而提高光催化活性。过渡金属元素存在多个化合价，把少量过渡金属离子掺杂在催化剂晶格内部时，可以在晶体表面产生晶格缺陷或改变结晶度，成为电子空穴的浅势捕获阱，降低载流子的复合几率。金瑞瑞[2]等以铁离子掺杂gC3N4，改变了gC3N4的电子结构，降低其带隙能的同时抑制了了光生电子空穴对的复合，掺杂后对罗丹名B的降解率高达99 %，相较于纯gC3N4性能提高了许多从而可以看掺杂金属离子确实提高了gC3N4的光催化降解能力。Yan[3]等用氧化硼来掺杂gC3N4，研究结果表明掺杂过后的gC3N4的能隙变小，提高了对光的吸收从而提高了光催化降解能力。
半导体复合改性是在高温制备出纯gC3N4后使用机械混合压缩的方法使得纯gC3N4与半导体复合在一起。徐垚[4]在利用溶剂热发制备gC3N4后采用机械混合的方式制备出来不同比例的 CdS/gC3N4纳米复合光催化剂，然后把有色染料罗丹明 B（Rh B）和无色抗生素甲硝唑（MTZ）作为目标污染物进行光催化降解，降解两小时后的纯样品对污染物的降解率分别为36 %和67 %，而复合材料在80 min时就能达到几乎完全降解，由此数据可以看出复合材料的光催化降解效率远高于单一纯材料。赵晓兵[5]等人用CeO2这一对紫外光有良好光催化性能的半导体材料与ATP进行复合，再与gC3N4进行更进一步的复合来提高gC3N4的可见光催化活性。通过其实验表明在对亚甲基蓝进行了150 min的降解后，复合材料的光催化降解率达到了92 %而其他单体材料所能达到的光催化降解率远低于复合材料。由此可以看出复合后的材料极大的提高了gC3N4的光催化降解效率改善了其光催化降解效率低下的问题。
载体负载是通过吸附剂来吸附gC3N4来使gC3N4的比表面积增大，提高其与污染物的接触位点，从而达到增强光催化降解能力的效果。目前有许多吸附剂得到了使用，最为广泛被提及的主要有SiO2、Al2O3、石墨烯、分子筛、活性炭、活性碳纤维和天然黏土等[6]，而目前被使用最为广泛的是活性炭和活性碳纤维，因为这两者比表面积巨大而且对于污染物的捕获能力优秀，但是其对于降低浓度的有机物降解能力有限而且其会受到相当大程度的温度制约，要对其进行改性适应的费用过高不适合用于生产生活之中。相较而言，天然黏土类矿物如蒙脱土、高岭土、凹凸棒土等价格低廉，不仅具有巨大的比表面积，还有极为优秀的吸附能力，与阳离子可以积极的交换，而且其极大的孔径也能吸附更多的污染物。邹静[7]通过剥离型膨润土负载gC3N4，制备出不同比例的EB/gC3N4，结果表明：当0.3 g膨润土中加入 50 g 尿素煅烧制备的EB/gC3N4表现出最佳的光催化活性，光照120 min，EB/gC3N4对 RhB 的降解率达到99 %，而gC3N4在光照 150 min后对 RhB 的降解率也只有 78 %。Li[8]通过将彭润土负载gC3N4的方法，制备的到的光催化剂的光电流值是gC3N4的8倍，对亚甲基蓝的光反应动力学常数是gC3N4的2.5倍。由此可见，天然黏土负载能够有效提高gC3N4的光催化降解能力。因此，为了减少光催化剂的改性试剂或改性方法的添加，以及避免未知的二次污染，可通过利用黏土矿物的孔道尺寸调控所负载光催化剂的晶粒大小（限域效应）。而负载改性功能的黏土矿物材料，需具有较大比表面积，孔道结构丰富。
目录
1 绪论 1
2实验部分 3
2.1 实验仪器 3
2.2实验药品 4
2.3 实验方法 4
2.3.1材料的制备方法 4
2.3.2表征方法 5
2.3.3光催化活性实验 6
3结果与讨论 6
3.1材料的表征 6
3.1.1SEM分析 7
3.1.2 XRD分析 8
3.1.3 FTIR分析 9
3.1.4 UVVis分析.................................................................................................................10
3.1.5 Zeta电位......................................................................................................................11
3.2光催化降解.....................................................................................................................12
3.2.1不同负载比例与纯gC3N4的光催化降解效率比较 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.2.2 PH值对光催化降解效率的影响 13
3.2.3 温度对光催化降解效率的影响 14
结论与展望 16
致 谢 18
参考文献 19
1 绪论
1.1 类石墨氮化碳
日益严重的环境污染和能源短缺威胁着人类的正常生产活动，半导体光催化技术[1]作为一种清洁安全的环境污染物去除技术得到了广泛的关注与研究。类石墨相氮化碳（gC3N4）是一种不含金属的半导体催化剂，由地球上含量最多的C、N元素组成。其在可见光下有很好的水解制氢和分解有机污染物的能力，gC3N4禁带宽度2.7 eV，相应的光吸收波长是 460 nm。gC3N4不但价格低廉、环保，可由多种常见的原料制得，如氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿素，这些特点使得gC3N4成为光催化材料领域的研究热点。
然而由于其存在体相材料的比表面积小，光生载流子的寿命较短、负荷率较高等问题，从而导致其可见光催化活性受到了极大的限制，不能很好的发挥出其光催化降解能力。基于上述问题，目前的主要改性方法有：金属掺杂，半导体复合，吸附基材负载等。
1.2 gC3N4可见光催化活性的提高方法
金属离子掺杂主要是通过掺杂将金属离子引入到半导体的晶格结构。引入阳离子后可以改变晶格的结构类型，或者出现缺陷，这样就会改变光生载流子的运动状况、分布状态和半导体的能带结构，从而提高光催化活性。过渡金属元素存在多个化合价，把少量过渡金属离子掺杂在催化剂晶格内部时，可以在晶体表面产生晶格缺陷或改变结晶度，成为电子空穴的浅势捕获阱，降低载流子的复合几率。金瑞瑞[2]等以铁离子掺杂gC3N4，改变了gC3N4的电子结构，降低其带隙能的同时抑制了了光生电子空穴对的复合，掺杂后对罗丹名B的降解率高达99 %，相较于纯gC3N4性能提高了许多从而可以看掺杂金属离子确实提高了gC3N4的光催化降解能力。Yan[3]等用氧化硼来掺杂gC3N4，研究结果表明掺杂过后的gC3N4的能隙变小，提高了对光的吸收从而提高了光催化降解能力。
半导体复合改性是在高温制备出纯gC3N4后使用机械混合压缩的方法使得纯gC3N4与半导体复合在一起。徐垚[4]在利用溶剂热发制备gC3N4后采用机械混合的方式制备出来不同比例的 CdS/gC3N4纳米复合光催化剂，然后把有色染料罗丹明 B（Rh B）和无色抗生素甲硝唑（MTZ）作为目标污染物进行光催化降解，降解两小时后的纯样品对污染物的降解率分别为36 %和67 %，而复合材料在80 min时就能达到几乎完全降解，由此数据可以看出复合材料的光催化降解效率远高于单一纯材料。赵晓兵[5]等人用CeO2这一对紫外光有良好光催化性能的半导体材料与ATP进行复合，再与gC3N4进行更进一步的复合来提高gC3N4的可见光催化活性。通过其实验表明在对亚甲基蓝进行了150 min的降解后，复合材料的光催化降解率达到了92 %而其他单体材料所能达到的光催化降解率远低于复合材料。由此可以看出复合后的材料极大的提高了gC3N4的光催化降解效率改善了其光催化降解效率低下的问题。
载体负载是通过吸附剂来吸附gC3N4来使gC3N4的比表面积增大，提高其与污染物的接触位点，从而达到增强光催化降解能力的效果。目前有许多吸附剂得到了使用，最为广泛被提及的主要有SiO2、Al2O3、石墨烯、分子筛、活性炭、活性碳纤维和天然黏土等[6]，而目前被使用最为广泛的是活性炭和活性碳纤维，因为这两者比表面积巨大而且对于污染物的捕获能力优秀，但是其对于降低浓度的有机物降解能力有限而且其会受到相当大程度的温度制约，要对其进行改性适应的费用过高不适合用于生产生活之中。相较而言，天然黏土类矿物如蒙脱土、高岭土、凹凸棒土等价格低廉，不仅具有巨大的比表面积，还有极为优秀的吸附能力，与阳离子可以积极的交换，而且其极大的孔径也能吸附更多的污染物。邹静[7]通过剥离型膨润土负载gC3N4，制备出不同比例的EB/gC3N4，结果表明：当0.3 g膨润土中加入 50 g 尿素煅烧制备的EB/gC3N4表现出最佳的光催化活性，光照120 min，EB/gC3N4对 RhB 的降解率达到99 %，而gC3N4在光照 150 min后对 RhB 的降解率也只有 78 %。Li[8]通过将彭润土负载gC3N4的方法，制备的到的光催化剂的光电流值是gC3N4的8倍，对亚甲基蓝的光反应动力学常数是gC3N4的2.5倍。由此可见，天然黏土负载能够有效提高gC3N4的光催化降解能力。因此，为了减少光催化剂的改性试剂或改性方法的添加，以及避免未知的二次污染，可通过利用黏土矿物的孔道尺寸调控所负载光催化剂的晶粒大小（限域效应）。而负载改性功能的黏土矿物材料，需具有较大比表面积，孔道结构丰富。
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