CN111450861B - 包含g-C3N4B和金属氧化物的复合光催化剂及其在燃油脱氮中应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包含g‑C₃N₄B和金属氧化物的复合光催化剂及其在燃油脱氮中应用，通过水热‑焙烧法制备包含g‑C₃N₄B的复合光催化剂，并用于光催化降解含氮模拟油(吡啶/石油醚)，对吡啶的降解率可达93.6％。并且，本发明提供的复合光催化剂具有良好的循环使用性能，重复使用三次后，对吡啶的降解率几乎不变。

Description

包含g-C3N4B和金属氧化物的复合光催化剂及其在燃油脱氮中应用

技术领域

本发明涉及光催化剂及其应用，特别涉及一种含有B掺杂石墨相氮化碳的复合光催化剂的制备及其在降解燃油中的含氮有机物中的应用。

背景技术

油品(比如汽油及柴油)中的含氮化合物(有机物)尤其是碱性含氮化合物不仅影响汽油及柴油的安定性，而且还影响其继续深加工，如催化重整、加氢、催化裂化等；而且，油品在燃烧时产生的多种氮氧化物对人类赖以生存的大气环境构成了严重的危害。目前，油品中含氮化合物的常用去除方法主要有加氢脱氮和非加氢脱氮两种类型。但这两种处理方法在实际操作过程存在反应需高温高压、对仪器设备的依赖性强、氮氧化物处理效果不佳等缺陷。这些缺陷限制了加氢脱氮和非加氢脱氮在工业领域上的广泛应用。

因此，寻求一种简单、经济、环保的油品脱氮方法对于保护生态环境具有重要的科学意义。

光催化氧化技术可以在温和的条件下有效的利用光能，经过光生电子(e^-)和光生空穴(h⁺)的迁移、捕获形成一系列活泼性的氧化物种。这些高活性物种能够将多种有毒、有害的化合物彻底降解为无毒、无害的CO₂与H₂O等小分子。迄今为止，光催化氧化技术在气液相污染物降解、染料敏化太阳能电池、玻璃表面自清洁技术、光解水制氢制氧等方面的研究发展迅速，但它在油品脱氮领域的研究鲜见报道。

因此，亟需开发一种高效复合光催化剂用以治理环境污染物，尤其用以降解含氮有机物污染物，如降解燃油中的含氮有机物。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：通过水热-焙烧法可制备包含g-C₃N₄B和金属氧化物的复合光催化剂，该催化剂可在燃油脱氮中应用，而且，本发明提供的复合光催化剂具有良好的循环使用性能，从而完成了本发明。

本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面，本发明提供一种包含g-C₃N₄B的复合光催化剂，所述复合光催化剂还包括金属氧化物，所述金属氧化物选自氧化锡、氧化钛、氧化镱、氧化铟、氧化钇。

其中，所述金属氧化物为氧化铟。

其中，所述复合光催化剂还掺杂有金属钒酸盐，所述金属选自镧、镝、铜、钼。

第二方面，本发明还提供一种制备包含g-C₃N₄B的复合光催化剂的方法，优选用于制备第一方面所述的复合光催化剂，所述方法包括以下步骤：

步骤1，制备g-C₃N₄B；

步骤2，制备包含g-C₃N₄B的复合光催化剂。

第三方面，上述第一方面所述复合光催化剂或根据第二方面所述方法制得的复合光催化剂的用途，其用于光催化降解含氮有机物污染物，如用于降解燃油中的含氮有机物，降解率可达93.6％。

附图说明

图1示出实施例1～4制得的产品XRD衍射图谱；

图2示出实施例2制得的复合催化剂产品的EDS图；

图3示出不同实施例以及对比例产品对吡啶降解率的曲线图；

图4示出本发明提供的复合光催化剂的投加量对吡啶降解率的影响曲线图；

图5示出吡啶不同浓度对复合光催化剂降解吡啶的影响曲线图；

图6示出复合光催化剂的循环使用对吡啶降解的影响曲线图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

以下详述本发明。

当前，以石墨相氮化碳(g-C₃N₄)为代表的有机聚合物半导体光催化剂由于在环境污染物净化、清洁能源合成、太阳能转换等领域具有潜在的应用价值，其相关研究倍受国内外科研工作者的高度关注。但由于g-C₃N₄光响应范围相对较窄，且光生载流子复合率高，限制了它的商业应用。

本发明人尝试掺杂改性石墨相氮化碳，以期取得性能较好的复合光催化剂；

经过大量研究和实验，本发明人惊喜地发现，以金属氧化物(氧化铟)以及金属钒酸盐(钒酸镝)复合硼掺杂的石墨相氮化碳而制得的复合光催化剂DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B，在光催化降解含氮模拟油(吡啶/石油醚)方面具有优异的性能。

根据本发明的第一方面，提供一种包含g-C₃N₄B的复合光催化剂，所述复合光催化剂还包括金属氧化物，所述金属氧化物选自氧化锡、氧化钛、氧化镱、氧化铟、氧化钇。

在一种优选的实施方式中，所述金属氧化物为氧化铟 (In₂O₃)。

在一种优选的实施方式中，所述复合光催化剂还掺杂有金属钒酸盐，所述金属选自镧、镝、铜、钼，优选为镝。

本发明中，所述复合光催化剂为DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B，其 XRD图在24.9°，27.3°，30.4°，33.5°，35.4°，50.9°存在衍射峰；在30.4°，35.4°，50.9°分别对应的是In₂O₃的晶面(222)，(400)，(440)；在24.9°，33.5°分别对应的是 DyVO₄的晶面(200)，(112)；在27.3°对应的是g-C₃N₄B的晶面(002)。

在DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B复合半导体光催化剂中，可以明显看到DyVO₄、In₂O₃与g-C₃N₄B三相共存。

本发明人发现，用金属氧化铟直接掺杂硼掺杂石墨相氮化碳形成的In₂O₃/g-C₃N₄B在降解燃油中的含氮有机物(燃油脱氮)时，其性能不如在降解偶氮类有机染料(如降解甲基橙) 所表现出的性能。

本发明人并没有放弃，本发明人继续大量尝试和研究其他复合光催化剂。终于，本发明人惊喜地发现，在将极少量钒酸镝与少量氧化铟一起掺杂入硼掺杂石墨相氮化碳时，所得到的复合光催化剂DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B在燃油脱氮方面表现出优异的性能。

根据本发明的第二方面，提供一种制备上述复合光催化剂的方法，包括如下步骤：

步骤1，制备g-C₃N₄B；

步骤2，制备包含g-C₃N₄B的复合光催化剂。

其中，

步骤1中包括以下步骤：

步骤1-1，将碳氮源与硼源在溶剂中混合均匀；

步骤1-2，除去溶剂；

步骤1-3，焙烧，研磨，得到产品g-C₃N₄B；

优选地，

步骤1-1中，所述碳氮源选自单氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿素；所述硼源选自氧化硼、硼酸、四苯基硼酸钠、四苯基硼酸钾；

在一种优选的实施方式中，所述碳氮源为尿素；所述硼源为四苯基硼酸钠。

在进一步优选的实施方式中，所述碳氮源与所述硼源的质量比为10g:(5～15)mg，如10g:10mg。

本发明人发现，所述碳氮源与所述硼源的用量比的选择是一个比较关键的因素，当所述碳氮源与所述硼源的质量比为 10g:10mg，所得到的最终产物的性能最好。

所述溶剂为水，更优选为去离子水、蒸馏水、纯净水；更优选为去离子水。

在一种优选的实施方式中，步骤1-1中，混合时，采用超声波振荡分散10min，使得原料更好地分散，混合更均匀，制得的产物更均一，性能更好。

步骤1-2中，除去溶剂的温度为60～90℃，优选为70～80℃, 如80℃。除去溶剂时优选搅拌，提高效率。

步骤1-3中，所述焙烧温度为450～600℃。

在一种优选的实施方式中，所述焙烧温度为550℃，焙烧时间为2h。

本发明人发现，焙烧时升温速率的选择也是需要考虑的因素，本发明中，焙烧升温速率为3～10℃/min，优选为4～9℃/min，如5℃/min。

本发明中，焙烧结束后降至室温，将固体研磨，得到均一的g-C₃N₄B粉末产品。

本发明中，步骤2包括以下步骤：

步骤2-1，将原料g-C₃N₄B与金属氧化物于分散剂中分散；

步骤2-1，除去分散剂；

步骤2-3，焙烧，得到最终产品复合光催化剂。

优选地，

步骤2-1中，所述原料还包括金属钒酸盐，所述金属选自镧、镝、铜、钼；所述金属氧化物选自氧化锡、氧化钛、氧化镱、氧化铟、氧化钇；

在一种优选的实施方式中，所述金属钒酸盐为钒酸镝 (DyVO₄)；所述金属氧化物为氧化铟(In₂O₃)；

在一种实施方式中，所述金属氧化物与所述金属钒酸镝、硼掺杂石墨相氮化碳的质量比为(0.001～0.5)：(0.001～0.1):1；

进一步地，所述金属氧化物(氧化铟)与所述金属钒酸镝、硼掺杂石墨相氮化碳的质量比为(0.01～0.25)：(0.005～0.15):1；如0.01:0.005:1，0.05：0.08:1，0.1:0.005:1，0.2:0.005:1， 0.01:0.01:1，0.01:0.1:1，0.05:0.01:1，0.1:0.01:1，0.1:0.06:1， 0.2:0.01:1，0.2:0.04:1。

本发明人发现，氧化铟有很多优异的特性，是n型半导体材料，在很多领域得到广泛应用。氧化铟不仅可以单独作为光催化剂，还可以和其他半导体复合而有较高的光催化效率，使其具备多种特殊性质。

本发明人认为，半导体之间复合时提高半导体光催化活性重要途径之一。

本发明人还认为，通过氧化铟In₂O₃与钒酸镝DyVO₄、硼掺杂石墨相氮化碳g-C₃N₄B复合，可能是因为利用了能带位置的差异可抑制电子-空穴的快速复合，调控对光的响应，从而提高了复合光催化剂的光催化效率。但是，本发明人发现，钒酸镝与氧化铟的掺杂量又不能太多，本发明中，更优选为氧化铟与钒酸镝与硼掺杂石墨相氮化碳的质量比为0.05:0.08:1。

步骤2-1中，所用分散剂为醇，优选为甲醇、乙醇、异丙醇，更优选为甲醇。

在一种优选的实施方式中，所述步骤2-1中，还使用超声波振荡分散原料，使得各原料在分散剂混合分散更为均匀，以使得最终产物更为均一，性能更好。优选超声波振荡10min。

步骤2-2中，除去分散剂的温度为50～80℃，如60℃；在一种优选的实施方式中，除去分散剂时搅拌。

步骤2-3中，所述焙烧温度为400～550℃，如450℃；焙烧时间为2～5h，如3h。

本发明人发现，焙烧时升温速率的控制也很关键，本步骤中，升温速率为3～15℃/min，优选为5～13℃/min，如8℃/min。

本发明人还发现，焙烧温度更优选为450℃，焙烧时间更优选为3h，该种条件下，所得到的复合光催化剂 DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B性能更好。

本发明人认为，这可能是因为此种条件下，所得到的复合光催化剂表面形貌更为均一，光催化活性更高，所形成的表面结构更有利于对含氮模拟油(吡啶/石油醚)的光催化降解。

根据本发明的第三方面，提供上述第一方面所述复合光催化剂或根据第二方面所述方法制得的复合光催化剂的用途，其用于光催化降解含氮有机物污染物，如用于降解燃油中的含氮有机物，降解率可达93.6％。

进一步地，所述复合光催化剂对吡啶的降解率可达93.6％。

本发明中，所述复合光催化剂在光催化反应5h时，对含氮模拟油(吡啶/石油醚)中的吡啶的降解率可达93.6％。

并且，本发明提供的复合光催化剂DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B 具有良好的循环使用性能，重复使用三次后，对吡啶的降解率几乎不变。

根据本发明提供的包含g-C₃N₄B和金属氧化物的复合光催化剂及其在燃油脱氮中应用，具有以下有益效果：

(1)本发明所提供的复合光催化剂绿色环保，光催化活性高；

(2)本发明所提供的复合光催化剂的制备方法简单，所用设备种类少；

(3)本发明所提供的复合光催化剂能够用于光催化降解含氮有机物污染物，如用于降解燃油中的含氮有机物，对含氮模拟油(吡啶/石油醚)中的吡啶的降解率可达93.6％，并且重复使用多次后，对吡啶的降解率几乎不变；

(4)本发明所提供的复合光催化剂用于光催化降解燃油中的含氮有机物，如吡啶时，能够循环使用，大大降低了使用成本，有利于工业化推广。

实施例

g-C₃N₄B样品的制备：

将10g尿素和10mg四苯硼酸钠在10mL去离子水中混合搅拌，并超声振荡10min；

搅拌下，在80℃水浴蒸干；

然后蒸干后体系置于马弗炉中，升温速率为5℃/min，升温至550℃，在550℃焙烧2h，室温研磨后，获得硼掺杂的石墨相氮化碳(g-C₃N₄B)样品，记为D2。

实施例1

称取1g g-C₃N₄B和0.1g钒酸镝DyVO₄、0.01g氧化铟In₂O₃加入到10mL甲醇中，搅拌混合，超声10min；

然后60℃水浴下搅拌除去甲醇；

置于马弗炉中，升温速率为8℃/min，升温至450℃，在450℃焙烧3h，室温研磨后，即可获得产品复合光催化剂 DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B，记为C1。

实施例2

本实施例与实施例1所用方法相同，区别仅在于(一)步骤氧化铟In₂O₃为0.05g，钒酸镝DyVO₄为0.08g；最终得到复合光催化剂DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B，记为C2。

实施例3

本实施例与实施例1所用方法相同，区别仅在于(一)步骤氧化铟In₂O₃为0.1g，钒酸镝DyVO₄为0.06g；最终得到复合光催化剂DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B，记为C3。

实施例4

本实施例与实施例1所用方法相同，区别仅在于(一)步骤氧化铟In₂O₃为0.2g，钒酸镝DyVO₄为0.04g；最终得到复合光催化剂DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B，记为C4。

对比例

对比例1

将10g尿素在10mL去离子水中混合搅拌，并超声振荡 10min；

搅拌下，在80℃水浴蒸干；

然后蒸干后体系置于马弗炉中，升温速率为8℃/min，升温至550℃，在550℃焙烧2h，室温研磨后，获得石墨相氮化碳 (g-C₃N₄)样品，记为D1。

对比例2

按照CN107790163A的实施例2制备得到 5％In₂O₃/g-C₃N₄B，记为D3。

对比例3

按照CN107790163A中的实施例2的制备方法，其区别在于，在加入氧化铟时，还加入0.005g钒酸镝DyVO₄，制备得到 DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B，记为D4。

对比例4

称取1g g-C₃N₄B和0.08g钒酸镝DyVO₄、0.05g氧化铟In₂O₃加入到10mL甲醇中，搅拌混合，超声10min；

然后60℃水浴下搅拌除去甲醇；

置于马弗炉中，升温速率为8℃/min，升温至550℃，在550℃焙烧3h，室温研磨后，即可获得产品复合光催化剂 DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B，记为D5。

对比例5

与实施例2的方法相同，其区别在于，所用硼掺杂的石墨相氮化碳(g-C₃N₄B)样品为根据CN107790163A制备而得，所得到的最终产品DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B，记为D6。

实验例

实验例1样品的XRD分析

测定实施例1～4制得的复合光催化剂产品以及空白氧化铟 (记为D7)，空白钒酸镝(记为D8)，g-C₃N₄B(记为D2)的 XRD谱图，结果如图1所示。

由图1可见，在复合光催化剂DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B中，三相共存。随着DyVO₄和In₂O₃的含量增加，DyVO₄的(200)晶面和 In₂O₃的(222)晶面强度分别增强。

实验例2样品的EDS能谱分析

对实施例2制得的DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B(C2)复合光催化剂产品进行EDS能谱分析，结果如图2所示。

由图2可知，DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B(C2)复合光催化剂产品中存在Dy、V、O、In、C、N、B元素，表明DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B (C2)复合光催化剂中DyVO₄、In₂O₃与g-C₃N₄B三相共存。

实验例3样品的光催化活性分析I

测试实施例1～4，对比例1(g-C₃N₄)，对比例2～5，空白氧化铟(D7)，空白钒酸镝(D8)，g-C₃N₄B(D2)对含氮模拟油(吡啶/石油醚)中的吡啶降解率。

含氮模拟油为一定质量的吡啶和沸程为90～120℃的石油醚配制成质量分数为4μg/g、8μg/g和12μg/g的含氮模拟油；

将一定量的光催化剂及50mL模拟油置于上海比朗BL-GHX-V多试管同时搅拌光化学反应仪上，磁力搅拌1h以达到吸附-脱附平衡，然后以500W氙灯作为可见光光源进行光照。按照一定的时间取上层清液，采用石油产品中碱性氮测定法(SH/T0162-92)对含氮模拟油的碱性氮含量进行测定分析。结果如图3所示。

由图3可知，本发明的复合光催化剂DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B 的光催化活性明显高于纯DyVO₄、In₂O₃、g-C₃N₄B催化剂的活性。其中，DyVO₄：In₂O₃：g-C₃N₄B为0.08:0.05:1时的复合光催化剂 DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B的活性最高。可见光光照5小时后，它对吡啶的降解率可达93.6％，而且它的光催化活性高于所有对比例的复合光催化剂DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B的活性。

实验例4样品的光催化活性分析II

测试复合光催化剂(实施例2的产品)的投加量对吡啶降解率的影响，结果如图4。

其中，图4中，

曲线a代表复合光催化剂产品的投加量为1.00g/L(即1L含氮模拟油中加入1.00g复合光催化剂)；

曲线b代表复合光催化剂产品的投加量为1.25g/L；

曲线c代表复合光催化剂产品的投加量为1.50g/L；

曲线d代表复合光催化剂产品的投加量为1.75g/L；

从图4可知，当催化剂加入量较少时，吡啶的降解率随催化剂量的增加而逐渐升高。复合光催化剂的投加量为1.50g/L、光催化反应5h时，吡啶的降解率达到93.6％。继续加大催化剂的用量，吡啶的降解率反而随之逐渐降低。

本发明人认为，这可能是因为，在光催化反应刚开始进行时，增加催化剂的加入量能显著增加参与反应的催化剂的有效表面积，产生更多的光催化反应的活性位点，进而可以加大催化剂与污染物之间的反应效率。但当催化剂加入量持续增加时，催化剂颗粒之间彼此覆盖程度也逐渐增加，使吡啶溶液的混浊度增大，这无疑阻碍了光的投射与吸收，因而导致了吡啶降解率的下降。

实验例5样品的光催化活性分析III

测定吡啶的不同初始浓度对复合光催化剂 DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B(实施例2产品)降解吡啶的影响，结果如图5所示。

其中，图5中，曲线a代表吡啶的浓度为4μg/g(即吡啶与石油醚的质量比)；

曲线b代表吡啶的浓度为8μg/g；

曲线c代表吡啶的浓度为12μg/g。

由图5可知，随着吡啶初始浓度的从4μg/g增加到12μg/g，复合光催化剂实施例2产品对吡啶的降解率呈下降趋势。也就是说吡啶的初始浓度不要太高。

这可能主要归因于以下三个方面的原因：第一，随着吡啶初始浓度的逐渐增大，催化剂表面所能吸附的吡啶分子数量越来越多，这将导致催化剂表面产生·OH、h⁺等活泼性物种相应减少；第二，浓度越高的吡啶溶液对光的吸收能力越强，从而导致用于催化剂激发生成光生载流子的有效光照强度明显减弱；第三，过高的吡啶浓度会导致在光催化反应中所生成的中间产物不能及时地进行有效分解，而是吸附于催化剂表面之上，这无疑会阻碍光催化反应的反应效率。

实验例6样品的光催化活性分析IV

测定复合光催化剂(实施例2产品)的循环效率(即循环使用次数对吡啶降解率的影响)，结果如图6所示。

其中，图6中，

曲线a代表光催化剂使用1次的降解曲线；

曲线b代表光催化剂使用2次的降解曲线；

曲线c代表光催化剂使用3次的降解曲线。

从图6可知，当催化剂重复循环使用三次后，其降解率虽略有下降但降低幅度不大。

这说明本发明制备的复合光催化剂DyVO₄/In₂O₃/g-C₃N₄B (实施例2产品)具有较好的循环使用性能，对其未来进行实际应用具有极其重要的价值。

综上分析，本发明提供的复合光催化剂可以应用于燃油脱氮。当吡啶的初始浓度为4μg/g、复合光催化剂(实施例2产品) 投加量为1.5g/L、500W氙灯光照5h后，对吡啶的降解率达到了93.6％。而且，本发明提供的复合光催化剂具有良好的循环使用性能，重复使用三次后，对吡啶的降解率几乎不变。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种包含g-C₃N₄B的复合光催化剂在燃油脱氮中的应用，其特征在于，

所述复合光催化剂还包括金属氧化物，所述金属氧化物为氧化铟；

所述复合光催化剂还掺杂有金属钒酸盐，所述金属钒酸盐为DyVO₄；

氧化铟与所述金属钒酸镝、硼掺杂石墨相氮化碳的质量比为(0.001～0.5)：(0.001～0.1):1；

所述包含g-C₃N₄B的复合光催化剂的制备方法包括以下步骤：

步骤1，制备g-C₃N₄B；

步骤1包括以下步骤：

步骤1-1，将碳氮源与硼源在溶剂中混合均匀，所述碳氮源为尿素，所述硼源为四苯基硼酸钠，所述溶剂为去离子水，碳氮源与所述硼源的质量比为10000:(5～15)；

步骤1-2，除去溶剂；

步骤1-3，焙烧，所述焙烧温度为450～600℃，研磨，得到产品g-C₃N₄B；

步骤2，制备包含g-C₃N₄B的复合光催化剂；

步骤2包括以下步骤：

步骤2-1，将原料g-C₃N₄B与金属氧化物于分散剂中分散；

步骤2-2，除去分散剂；

步骤2-3，焙烧，所述焙烧温度为400～550℃，焙烧时间为2～5h，得到最终产品复合光催化剂；

步骤2-1中，所述原料还包括金属钒酸盐，所述金属为镝；所述金属氧化物为氧化铟。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤2-3中，所述焙烧温度为450℃；焙烧时间为3h。

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