CN107185580B - 一种g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂 - Google Patents
一种g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种g‑C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂，其特征在于，光催化剂由g‑C3N4/ZnO异质结构纳米片组装而成，所述光催化剂以酸化氮化碳、酒石酸钾钠、乙酸锌和尿素为原料，采用液相沉淀‑相转变技术，实现g‑C3N4/ZnO异质结构纳米片的制备与多级结构自组装的一步完成，得到g‑C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂。首先，将酸化氮化碳溶于水中，依次加入一定量的酒石酸钾钠、乙酸锌、尿素，在70‑90℃反应3‑12小时，冰浴冷却，离心、洗涤、干燥、焙烧相转变后得到g‑C3N4/ZnO纳米片多级结构光催化剂。本发明所用前驱物为廉价的乙酸锌，制备工艺简单、成本低；该方法所制备g‑C3N4/ZnO异质结构纳米片组装成的多级结构光催化剂的催化效率高，具有很好的光催化活性。
Description
技术领域
本发明属于光催化剂材料领域，涉及一种g-C3N4/ZnO多级结构光催化剂，具体地说，是涉及一种由g-C3N4/ZnO异质结构纳米片自组装成的多级结构光催化剂。
背景技术
目前，以太阳能利用为目的的光催化技术在解决能源短缺和环境污染等方面表现出巨大的潜力，受到各国政府的高度重视。因此开发高效、低成本、能有效利用太阳光的光催化材料已成为光催化技术的研究热点。ZnO因绿色、环保、价格低廉，无二次污染等优点，被广泛用于太阳能电池和光催化等领域。但是由于ZnO是直接带隙宽禁带(Eg＝3.37eV)半导体，限制了对可见光的利用；而且高的光生电子空穴复合率导致较低的光量子效率。而类石墨结构的g-C3N4禁带宽度约2.7e V，具有良好的可见光响应，以其优异的化学稳定性和独特的电子能带结构，被视作一种价格低廉的可见光响应光催化材料。但是由于g-C3N4比表面小，所得g-C3N4的导电率较低、C-N层间无电子传输及光生电子空穴对复合严重，使其不能有效利用太阳光能，这严重制约了其在能源环境和光催化领域的大规模应用。因此，增大材料比表面积，优化光生载流子的传输路径和减少光生载流子的复合几率是提高材料量子效率的有效途径。将g-C3N4和ZnO复合组装成多级结构，形成异质界面，既能增加g-C3N4和ZnO的比表面积，保持材料的结构稳定性，避免使用过程中二次团聚，又有利于光生载流子传输，促进光生载流子的有效分离，进而提高其光催化性能。
中国发明专利CN201210421522.X公开了一种ZnO/g-C3N4复合光催化剂的制备方法，采用两段式溶剂热反应再超声分散的技术制备ZnO/g-C3N4复合光催化剂。中国发明专利CN201310436187.5公开了一种ZnO负载的介孔mpg-C3N4复合光催化剂及其制备方法，需要在乙二醇溶液中160度溶剂热反应24小时。Wang等公开了一种C3N4/ZnO复合材料用于光催化剂，首先采用液相法制备ZnO纳米棒，利用尿素热聚合法制备C3N4，再将所得C3N4通过超声法剥离，与ZnO纳米棒混合，可得C3N4/ZnO复合材料(Applied Catalysis B: Environmental206(2017)406–416)。Le等公开了一种介孔g-C3N4/ZnO复合材料光催化剂的制备方法。以介孔分子筛SBA-15为模板，三聚氰胺、浓硫酸、和硝酸锌为原料，经煅烧制得 SBA-15/g-C3N4/ZnO复合材料,再利用HF去除SBA-15，得到介孔g-C3N4/ZnO复合材料光催化剂(AppliedCatalysis B:Environmental 200(2017)601–610)。可以看出，目前制备的 g-C3N4/ZnO纳米结构，要么负载C3N4的步骤复杂，难以制备具有高比表面的g-C3N4/ZnO，要么采用价格昂贵的原料，生产成本高。
发明内容
本发明针对现有制备g-C3N4/ZnO复合光催化剂过程复杂，生产成本高，形貌难以控制，特别是难以制备高比表面的g-C3N4/ZnO多级结构，而导致光响应范围窄，光生电子-空穴对的易复合，提出了一种g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂。该方法工艺简单，反应条件较温和，所制备出的g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂是由g-C3N4/ZnO异质结构纳米片组装而成，光催化性能高。本发明采用以下技术方案予以实现：
一种g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂，其特征在于，光催化剂由g-C3N4/ZnO 异质结构纳米片组装而成，所述光催化剂以酸化氮化碳、酒石酸钾钠、乙酸锌和尿素为原料，采用液相沉淀-相转变技术，实现g-C3N4/ZnO异质结构纳米片的制备与多级结构自组装的一步完成，得到g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂。制备方法包括下述步骤：
(1)称取0.5-3.0克的酸化氮化碳溶于水中，加入0.007克的酒石酸钾钠、0.28克的乙酸锌、0.4克的尿素，70-90℃反应3-12小时，分离、洗涤；
(2)将步骤(1)得到的产物干燥后，以1-20℃/min的升温速率升温至250-350℃，保温0.5-1h，得到g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂。
本发明的优点在于：所用前驱物为廉价的乙酸锌，制备工艺简单、成本低；该方法所制备g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂的催化效率高，具有很好的光催化活性。
附图说明
图1实施例一所制备的g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂的XRD谱图。
图2实施例一所制备的g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂的FT-IR光谱图。
图3实施例一所制备的g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂的SEM照片。
图4实施例一所制备的g-C3N4/ZnO和对比例一所制备的ZnO光催化剂的光催化分解水制氢的产氢量图。
具体实施方式
下面通过实施例和对比例对本发明作进一步详细说明：
实施例一：
(1)将1.0克的酸化氮化碳溶于水中，加入0.007克的酒石酸钾钠、0.28克的乙酸锌、0.4 克的尿素，90℃反应12小时，分离、洗涤；
(2)将步骤(1)得到的产物干燥后，以1℃/min的升温速率升温300℃，保温0.5h，得到g-C3N4/ZnO纳米片多级结构光催化剂。
实施例二：
(1)将0.5克的酸化氮化碳溶于水中，加入0.007克的酒石酸钾钠、0.28克的乙酸锌、0.4 克的尿素，90℃反应12小时，分离、洗涤；
(2)将步骤(1)得到的产物干燥后，以1℃/min的升温速率升温300℃，保温0.5h，得到g-C3N4/ZnO纳米片多级结构光催化剂。
实施例三：
(1)将2.0克的酸化氮化碳溶于水中，加入0.007克的酒石酸钾钠、0.28克的乙酸锌、0.4 克的尿素，90℃反应12小时，分离、洗涤；
(2)将步骤(1)得到的产物干燥后，以1℃/min的升温速率升温300℃，保温0.5h，得到g-C3N4/ZnO纳米片多级结构光催化剂。
实施例四：
(1)将3.0克的酸化氮化碳溶于水中，加入0.007克的酒石酸钾钠、0.28克的乙酸锌、0.4 克的尿素，90℃反应12小时，分离、洗涤；
(2)将步骤(1)得到的产物干燥后，以1℃/min的升温速率升温300℃，保温0.5h，得到g-C3N4/ZnO纳米片多级结构光催化剂。
实施例五：
(1)将1.0克的酸化氮化碳溶于水中，加入0.007克的酒石酸钾钠、0.42克的乙酸锌、0.4克的尿素，70℃反应12小时，分离、洗涤；
(2)将步骤(1)得到的产物干燥后，以10℃/min的升温速率升温250℃，保温1h，得到 g-C3N4/ZnO纳米片多级结构光催化剂。
实施例六：
(1)将1.0克的酸化氮化碳溶于水中，加入0.014克的酒石酸钾钠、0.28克的乙酸锌、0.8克的尿素，80℃反应6小时，分离、洗涤；
(2)将步骤(1)得到的产物干燥后，以10℃/min的升温速率升温350℃，保温0.5h，得到g-C3N4/ZnO纳米片多级结构光催化剂。
实施例七：
(1)将1.0克的酸化氮化碳溶于水中，加入0.007克的酒石酸钾钠、0.42克的乙酸锌、0.4克的尿素，80℃反应4小时，分离、洗涤；
(2)将步骤(1)得到的产物干燥后，以5℃/min的升温速率升温300℃，保温0.5h，得到g-C3N4/ZnO纳米片多级结构光催化剂。
对比例一：
(1)将0.007克的酒石酸钾钠溶于水中，加入0.28克的乙酸锌、0.4克的尿素，90℃反应 12小时，分离、洗涤；
(2)将步骤(1)得到的产物干燥后，以1℃/min的升温速率升温300℃，保温0.5h，得到ZnO纳米片多级结构光催化剂。
图1为利用本发明实施例一所述方法制备的得到g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂的XRD谱图。由图可以看出，主要衍射峰可以指标化为纤锌矿结构ZnO的衍射，未观察到g-C3N4的XRD衍射峰，可能是由于g-C3N4含量较少，分散性好，或者样品结晶度较低所致。
图2为利用本发明实施例一所述方法制备的g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂样品的FT-IR光谱图。有图可以看出，在3100-3400cm-1处的宽吸收峰是由芳香环缺陷位的NHx(x＝1,2)基团引起，1300-1700cm-1左右处的吸收峰归于碳氮环上C＝N双键、C-N单键伸缩振动，在814cm-1处的吸收峰对应于s-三嗪单元C-N的弯曲振动，上述FT-IR峰均归于 g-C3N4。
图3为利用本发明实施例一所述方法制备的g-C3N4/ZnO样品的SEM照片。从图中的照片可以看出，得到的g-C3N4/ZnO样品是由纳米片自组装而成的多级异质结构多孔微球。
图4是利用本发明实施例一所述方法制备的g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂和对比例所述方法制备的ZnO纳米片多级结构光催化剂的光催化分解水制氢的产氢速率图。从图4可以看出，本发明制备的g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂用于光催化分解水制氢产率可以高达7.5mmol/g，与对比例中未复合g-C3N4的ZnO相比较，本发明制备的g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂光催化制氢效率大大提高。
将本发明制备的g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂用于水溶液中有机染料的光催化降解，对大部分常见有机染料也表现出很好的光催化降解效果，可用于有机废水的光催化处理。
上述实施例是本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，未背离本发明的原理与工艺过程下所作的其它任何改变、替代、简化等，均为等效的置换，都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂，其特征在于，所述光催化剂是由g-C3N4/ZnO纳米片自组装而成多级异质结构多孔微球，
所述光催化剂的制备方法包括以下步骤：
(1)称取0.5-3.0克的酸化氮化碳溶于水中，加入0.007克的酒石酸钾钠、0.28克的乙酸锌、0.4克的尿素，70-90℃反应3-12小时，分离、洗涤；
(2)将步骤(1)得到的产物干燥后，以1-20℃/min的升温速率升温至250-350℃，保温0.5-1h，得到g-C3N4/ZnO纳米片多级异质结构光催化剂。
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