一種三維宏觀體多孔石墨相氮化碳光催化劑及其制備與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料制備及光催化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種三維宏觀體多孔石墨相氮化碳光催化劑及其制備與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，環(huán)境污染和能源短缺等問題日趨嚴(yán)重，光催化技術(shù)由于能將低密度的太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，例如光催化水制取氫氣、污染物降解、有機(jī)物氧化和還原和空氣凈化(典型文獻(xiàn):Chem.Rev.2010, 110, 6503 ；Chem.Rev.1995，95，69 ；Chem.Soc.Rev.2013，42，2568 ；Chem.Soc.Rev.2014，43，7787)，所以光催化技術(shù)被認(rèn)為是解決環(huán)境污染和能源短缺等問題理想途徑，表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。
[0003]催化劑是光催化技術(shù)的核心，目前人們已開發(fā)合成數(shù)百種光催化劑，主要都是基于半導(dǎo)體材料(Chem.Soc.Rev.2013, 42, 2568)，而半導(dǎo)體催化劑可以分為無機(jī)和有機(jī)半導(dǎo)體光催化劑(Chem.Rev.2012, 112，1170)。2009年，王等人發(fā)現(xiàn)有機(jī)半導(dǎo)體材料-石墨相氮化碳(g_C3N4)具有優(yōu)異的可見光催化分解水制去氫氣的性能(Nat.Mater.2009，8，76)，另外該材料具有穩(wěn)定性好、不含金屬、可見光響應(yīng)好等優(yōu)異物理化學(xué)特性，引起研宄者們的廣泛關(guān)注。
[0004]然而目前所有文獻(xiàn)對于石墨相氮化碳光催化劑的合成和應(yīng)用都是基于粉體的石墨相氮化碳催化劑(典型的文獻(xiàn)報(bào)道:Nat.Mater.2009，8，76 ;ACS Catalysis 2014, 774 ；Angew.Chem.1nt.Ed.，2014，53，11001 ；Angew.Chem.1nt.Ed.，2014，53，11538 ；Adv.Mater.，2014，26，805)。然而，高成本的過濾技術(shù)和復(fù)雜耗時(shí)的分離過程將大大阻礙粉體催化劑的應(yīng)用，另外粉體石墨相氮化碳在分離過程中存在較大的損失，重復(fù)使用率低，這也限制了石墨相氮化碳粉體催化劑在未來空氣凈化的應(yīng)用前景。此外，實(shí)驗(yàn)證實(shí)多孔石墨相氮化碳催化劑由于具有更高的比表面積和更多的催化活性位點(diǎn)，表現(xiàn)出比不具有孔結(jié)構(gòu)的石墨相氮化碳催化劑更優(yōu)異的催化性能(典型的文獻(xiàn)報(bào)道:Angew.Chem.1nt.Ed.，2012，51，3892 ；2014, 26，3151 ；Angew.Chem.，2009，121，8024)。因此，尋找三維宏觀體多孔石墨相氮化碳催化劑的制備方法，優(yōu)化三維宏觀體多孔石墨相氮化碳催化劑的制備工藝，是當(dāng)前氮化碳催化劑的一個(gè)重要課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種三維宏觀體多孔石墨相氮化碳光催化劑及其制備方法，該催化劑具有三維宏觀體多孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出特殊三維宏觀體多孔結(jié)構(gòu)，具有大的比表面積和光吸收性能以及較好的力學(xué)性能，具有優(yōu)異的可見光解水制取氫氣和降解有機(jī)污染物，可顯著改善粉體石墨相氮化碳光催化劑分離問題和重復(fù)使用問題，利于石墨相氮化碳光催化劑的實(shí)際應(yīng)用。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種三維宏觀體多孔石墨相氮化碳光催化劑，化學(xué)式為C3N4,為石墨相，具有三維宏觀體多孔結(jié)構(gòu)，其比表面積為40-20011?'光吸收邊帶在450-700nm。
[0008]一種所述三維宏觀體多孔石墨相氮化碳光催化劑的制備方法，將密胺海綿浸漬在含碳氮前驅(qū)體的水溶液中，冷凍干燥后，進(jìn)行熱聚合，得到三維宏觀體多孔石墨相氮化碳光催化劑。
[0009]所述含碳氮前驅(qū)體為尿素、硫脲、三聚氰胺以及雙氰胺中一種或者多種，當(dāng)為多種時(shí)，比例任意。
[0010]所述含碳氮前驅(qū)體的水溶液濃度為0.1?0.8g mL'
[0011]所述密胺海綿與含碳氮前驅(qū)體的水溶液的質(zhì)量比為1:30?1:400。
[0012]所述熱聚合條件為:N2氣氛中450°C?600°C焙燒I?8h。
[0013]所得三維宏觀體多孔石墨相氮化碳光催化劑可用于可見光下催化分解水制取氫氣以及在可見光下催化降解有機(jī)污染物。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0015](I)本發(fā)明制備的三維宏觀體多孔石墨相氮化碳催化劑，別于傳統(tǒng)粉體的石墨相氮化碳。
[0016](2)本發(fā)明合成的三維宏觀體多孔石墨相氮化碳催化劑具有大的比表面積和可見光吸收性能，具有良好的可控可調(diào)性。
[0017](3)本發(fā)明合成的三維宏觀體多孔石墨相氮化碳催化劑具有成本低廉、穩(wěn)定、輕質(zhì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
[0018](4)本發(fā)明合成的三維宏觀體多孔石墨相氮化碳催化劑在光催化應(yīng)用中具穩(wěn)定性好和容易分離等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中三維宏觀體多孔石墨相氮化碳X射線粉末衍射圖，從圖中可以觀察到石墨相氮化碳的(100)和(002)特征衍射峰。
[0020]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中三維宏觀體多孔石墨相氮化碳掃描電鏡照片(SEM)，從圖中可以觀察到明顯多孔結(jié)構(gòu)。
[0021]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中三維宏觀體多孔石墨相氮化碳的透射電鏡照片(TEM)，從圖中可以觀察到明顯的多孔結(jié)構(gòu)。
[0022]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1三維宏觀體多孔石墨相氮化碳的隊(duì)吸附曲線，具有明顯堆積孔結(jié)構(gòu)吸附特征，BET方法計(jì)算其比表面積為78πι2Ρ。
[0023]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中三維宏觀體多孔石墨相氮化碳的漫反射光譜，可以其在可見光具有非常好的吸收能力，邊帶吸收為?670nm。
[0024]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中三維宏觀體多孔石墨相氮化碳的光催化產(chǎn)氫性能，產(chǎn)氫速率為?30μπιο1 IT1
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0026]實(shí)施例1
[0027]將質(zhì)量為?10mg和尺寸約為4cmX 1.5cmX 1.5cm的長方體塊狀的密胺海綿浸泡在30mL 0.5g rnL—1的尿素水溶液中，浸漬質(zhì)量比約為1:150，1min后取出吸附飽和的海綿，冷凍干燥后，將干燥負(fù)載有尿素的密胺海綿于隊(duì)下550°C焙燒4h，冷卻至室溫，就制備出了三維宏觀體多孔石墨相氮化碳催化劑。X射線粉末衍射(XRD)表征證明該物質(zhì)為石墨相的氮化碳，見圖1所示。掃描(SEM)和投射電鏡(TEM)可以觀察到明顯的多孔結(jié)構(gòu)，見圖2和3所示。N2吸附測試也證明具有明顯堆積孔結(jié)構(gòu)，BET方法計(jì)算其比表面積為78πι2Ρ，見圖4所示。紫外可見吸收譜證明該三維宏觀體多孔石墨相氮化碳在可見光具有強(qiáng)吸收，吸收邊帶?670nm，見圖5所示。
[0028]實(shí)施例2
[0029]將質(zhì)量為?10mg和尺寸約為4cmX 1.5cmX 1.5cm的長方體塊狀的密胺海綿浸泡在30mL 0.1g mL—1的三聚氰胺水溶液中，浸漬質(zhì)量比約為1:30，1min后取出吸附飽和的海綿，冷凍干燥后，將干燥負(fù)載有三聚氰胺的密胺海綿于隊(duì)下600°C焙燒lh，冷卻至室溫，就制備出了三維宏觀體多孔石墨相氮化碳催化劑。比表面約為40!!