C3N4催化剂的制备及光催化性能研究

范红艳

（运城护理职业学院，山西 运城 044000）

引 言

能源是人类生活和社会发展的重要物质基础。随着经济全球化进程的加快，能源危机也在加剧。我国正处在工业化过程中，经济社会发展对能源的依赖比发达国家大得多。高速增长的经济，离不开大量的能源消耗。大量的CO2、SO2、NOx及粉尘排放在空气中，造成了酸雨、温室效应、臭氧层破坏等严重的环境污染。为了缓解人类能源危机，太阳能作为一种清洁、可持续能源，必将成为能源主流［1-2］。

2009 年，C3N4催化剂首次应用于光催化领域［3］，通过直接利用太阳光来催化一系列重要的化学反应，能直接降解污染物，给新能源的发展带来了强大的动力与希望［4-6］。C3N4作为可见光光催化剂，在光解水制氢气［7］、降解有机物［8］及有机合成［9］等方面受到了人们的普遍关注。而且，在半导体光催化材料中掺杂少量金属，可以改变材料的电子结构，提高其光催化性能［10-11］。

本文采用煅烧法制备C3N4催化剂，再利用沉淀法制备AgBr/C3N4，以甲基橙（MO）为模拟污染物，对所制备样品的光催化降解染料污染物的性能进行了研究。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

试剂：尿素、甲基橙、KBr、AgNO3、无水乙醇等药品均为市售分析纯试剂，直接使用；水为二次蒸馏水。

仪器：电子分析天平、马弗炉、电热恒温干燥箱、超声波清洗机、台式离心机、紫外-可见分光光度计（UV-1 800，日本岛津公司）、磁力搅拌器（上海）、D/max-2500X射线衍射仪（日本理学公司生产）等。

1.2 光催化剂的制备

1.2.1 C3N4光催化剂的制备

称取10g尿素，研细后放入瓷坩埚中，盖上盖子，在马弗炉中于一定温度下煅烧一定时间，反应停止后自然冷却至室温，研磨，即可得淡黄色的C3N4光催化剂［12-13］。

1.2.2 AgBr/C3N4光催化剂的制备

将1.2.1制得的0.1g C3N4光催化剂加入到30mL蒸馏水中，并超声分散30min，使其分散均匀；搅拌状态下，将一定量的AgNO3粉末加入到上述溶液中，在室温下继续搅拌30min；将相应量的KBr（1mol/L）溶液逐滴滴加到溶液中；所得浑浊液继续搅拌1h，经离心分离后用蒸馏水及无水乙醇各洗涤3次，产物于70℃烘12h，得到AgBr/C3N4光催化剂。为了进行对比说明，利用上述方法制备了纯 AgBr［4，14］。

1.3 催化剂的评价

染料废水是难降解的工业废水之一，在酸性和碱性条件下，醌式和偶氮结构是染料化合物的主体结构。因此，为了评价所合成的催化剂的光催化性能，使用甲基橙溶液为模拟污染物进行光催化降解实验，对于研究染料化合物的降解具有代表性［15］。取0.05g催化剂放入100mL初始质量浓度为15mg/L的甲基橙水溶液中，以500W氙灯作为可见光源进行光降解实验，采用紫外-可见分光光度计测定甲基橙在最大吸收波长处（λ＝464nm）的吸光度A。根据式（1）确定甲基橙的降解状况［15］。

式中：C0和C分别为甲基橙的初始浓度和降解时间为t时的浓度。

2 结果与讨论

2.1 C3N4催化剂制备条件的确定及表征

2.1.1 煅烧温度的确定

为了确定煅烧温度对C3N4催化剂光催化活性的影响，我们将尿素在马弗炉中于不同温度下进行了煅烧，煅烧温度分别为500、525、550、575、600℃，煅烧时间为2h，并以甲基橙为降解对象来考察C3N4的光催化能力。如图1所示。由图1可知，煅烧温度为575℃时，光催化活性最高，其原因可能是在不同温度下煅烧直接影响催化剂的结晶结构所致。所以，最佳煅烧温度确定为575℃。

图1 煅烧温度对C3N4光催化活性的影响

2.1.2 煅烧时间的确定

为了确定煅烧时间对C3N4催化剂光催化活性的影响，我们将尿素在马弗炉中进行煅烧，煅烧时间分别为 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0h，煅烧温度为575℃。所制备C3N4催化剂对甲基橙的降解情况如图2所示。由图2可知，C3N4在575℃下煅烧2.0h的光催化活性最好。因此，确定最佳煅烧时间为2.0h。

图2 煅烧时间对C3N4光催化活性的影响

2.1.3 XRD表征

X射线衍射仪是利用衍射原理定性分析物质内部微观结构的一种分析仪器。本实验采用日本理学公司生产的D/max-2500X射线衍射仪对纯催化剂内部结构进行了分析。XRD图谱见图3。经与标准图谱进行对比可知，位于27.2°的衍射峰为C3N4的特征峰，且峰形尖锐，说明所制备物质为C3N4催化剂，且催化剂晶化完整。

图3 C3 N4催化剂的XRD图谱

2.2 AgBr/C3N4复合催化剂的条件确定及XRD表征

2.2.1 AgNO3加入量的确定

为了考察AgNO3的加入量对AgBr/C3N4复合光催化剂活性的影响，我们在体系中分别加入了4.7、2.4、1.0、0.7gAgNO3，并用所制备催化剂对甲基橙进行了降解，其结果如图4所示。由图4可知，分别加入0.7g和4.7g AgNO3粉末时，AgBr/C3N4光催化剂的光催化活性很高。

图4 AgNO3含量对AgBr/C3N4光催化活性的影响

2.2.2 XRD表征

为了确定催化剂的组成，我们对催化剂进行了XRD表征，其结果如图5所示。由图5可看出，在衍射峰为27.2°处出现了C3N4衍射峰，说明C3N4成功与AgBr复合。

图5 AgBr/C3N4复合催化剂的XRD表征

2.3 与其他过程的比较

2.3.1 与空白实验的比较

为了研究AgBr/C3N4复合光催化活性较高的原因，本实验将AgBr/C3N4的光催化活性同催化剂的吸附过程（只加催化剂不加光）、光降解过程（只加光不加催化剂）降解甲基橙的实验进行了比较。

1）光降解过程。取100mL的甲基橙，不加入催化剂，只在氙灯照射下考察甲基橙的降解效果。降解条件：t＝120min，m＝0.05g，V＝100mL，C0＝15mg/L。

2）吸附过程。取0.05g的催化剂加入到甲基橙溶液当中，不开氙灯，考察AgBr/C3N4复合催化剂的吸附性，结果如图6所示。由图6可知，甲基橙自身基本不降解，且催化剂自身的吸附作用也不明显。由此可知，甲基橙的降解完全是由AgBr/C3N4复合催化剂的光催化作用所致。

图6 AgBr/C3N4复合催化剂与空白实验的比较

2.3.2 与纯AgBr和纯C3N4的比较

为了考察C3N4与AgBr复合后的光催化活性有无提高，在与制备AgBr/C3N4复合催化剂相同的条件下，制取了2组空白的对照实验——纯AgBr和纯C3N4，并在可见光的条件下对它们的催化性能进行了相同考察，结果如图7所示。由图7可知，复合后的光催化剂AgBr/C3N4对MO的降解率明显高于纯AgBr和纯C3N4。其原因可能是，2种催化剂复合之后，它们之间起到了协同作用，使AgBr/C3N4复合催化剂具有较好的催化活性。

图7 AgBr、C3N4、复合催化剂的光催化活性

3 结论

通过煅烧法制备C3N4催化剂，温度575℃下煅烧2h，在对甲基橙光催化降解实验中表现出最好的效果，活性最好。再利用沉淀法制备AgBr/C3N4，光催化降解甲基橙的实验表明，AgBr的引入显著提高了C3N4的光催化活性。本方法制备的C3N4催化剂、AgBr/C3N4复合催化剂，具有成本较低、方法简单、催化效率高等优点，在有机污染物的光催化处理方面有广阔的应用前景［15］。

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