CuO/g-C3N4复合光催化剂光催化降解甲基橙

毛 娜

(渭南师范学院，陕西 渭南 714099)

环境保护与催化

CuO/g-C3N4复合光催化剂光催化降解甲基橙

毛 娜

(渭南师范学院，陕西 渭南 714099)

选用Cu(NO3)2和g-C3N4为原料，将两种原料溶解，蒸发，500 ℃焙烧制得CuO/g-C3N4复合光催化剂，在太阳光下催化降解甲基橙。结果表明，通过正交实验得到最佳反应条件为:甲基橙溶液pH=3.8，温度(15～25) ℃，CuO与g-C3N4质量比3∶10，催化剂用量10 mg，反应时间3 h，甲基橙最大降解率为64.6%。

催化化学;CuO /g-C3N4复合光催化剂；甲基橙；降解

光催化技术[1]可利用太阳光对水和空气中的多种污染物进行降解,符合可持续发展的要求。光催化法能将许多生物难降解的有机污染物分解为二氧化碳、水和无机物[2]。甲基橙是较难降解的有机染料,在碱性和酸性条件下的主体结构式分别呈偶氮和醌式结构,以甲基橙溶液进行光催化分解作为模型反应,通过光谱学技术探究甲基橙光催化降解的有关机理[3]。

具有光催化作用的g-C3N4对染料等污染物有降解作用，无毒、耐光腐蚀、光活性强、稳定性好和不产生二次污染，且经济实惠，原料来源较广。在适宜条件下，可降解水中难降解的污染物为二氧化碳和水等。g-C3N4可用于光解水制氢[4]、环境光催化[5]和聚合物制备[6]等。目前，光照-芬顿法[7-8]催化分解水催化剂，如处理染料废水主要利用紫外线辐射，而使用可见光或太阳光代替紫外线将大大降低成本且提高降解率，具有现实意义。

本文选用Cu(NO3)2和g-C3N4为原料，通过溶解搅拌、蒸发和焙烧制得CuO/g-C3N4复合光催化剂，研究其在太阳光下催化降解甲基橙性能。

1 实验部分

1.1 g-C3N4/CuO复合光催化剂的制备

[9]，将0.1 g的C3N4分别与0.01 g、0.02 g、0.03 g、0.04 g、0.05 g和0.06 g的Cu(NO3)2溶解于20 mL去离子水，用磁力加热搅拌器搅拌，反应(5～6) h后进行蒸发、结晶,得到晶体粉末，高温焙烧，得到6种不同含量的g-C3N4/CuO复合光催化剂，编号为①～⑥。

1.2 实验方法

将适量的g-C3N4/CuO复合光催化剂加入浓度为10 mg·L-1甲基橙溶液中，光催化实验在水浴恒温搅拌下进行，采用722型光栅分光光度计在波长465 nm处测定吸光度，甲基橙降解率按下式计算：

式中，A0和A分别为降解前后甲基橙溶液的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 复合光催化剂催化降解甲基橙

制备10 mg·L-1的甲基橙溶液，测得其吸光度为0.670，称取g-C3N4/CuO复合光催化剂样品①～⑥各15 mg分别置于容量瓶，并各加入35 mL甲基橙溶液，搅拌，每隔1 h测定吸光度，结果如表1所示。

表 1 不同催化剂上降解甲基橙的吸光度

由表1数据计算得知，③号样品的甲基橙降解率最大，选择③号样品为最佳光催化剂进行后续实验,其CuO与g-C3N4质量比3∶10。

反应时间对甲基橙降解率的影响如图1所示。

图 1 反应时间对甲基橙降解率的影响Figure 1 Effects of reaction time on degradation rate of methyl orange

由图1可以看出，随着反应时间增加，甲基橙降解率呈先升后降的趋势，反应时间3 h时，甲基橙降解率最大，最佳反应时间为3 h。

2.2 pH值

实验采用0.1 mol·L-1的HCl调节溶液pH值，量取7份甲基橙溶液35 mL，调节pH值，分别加入③号光催化剂10 mg，反应3 h,考察pH值对甲基橙降解率的影响，结果见表2。

表 2 pH值对甲基橙降解率的影响

由表2可以看出，pH=3.8时，甲基橙降解效果最佳，继续提高pH值，甲基橙降解率下降，表明甲基橙在较强酸性条件下降解率最好。

2.3 温度对降解甲基橙的影响

称取6份③号光催化剂10 mg，加入甲基橙溶液35 mL，恒温反应3 h，不同温度下降解甲基橙，结果如表3所示。

表 3 温度对甲基橙降解率的影响

由表2可见，随着温度增加，甲基橙降解率先升后降，(15～25) ℃时，甲基橙降解率较高。

2.4 光催化剂用量

称取5份③号光催化剂，分别加至35 mL甲基橙溶液，反应时间3 h，考察催化剂用量对甲基橙降解率的影响，结果见表4。

表 4 光催化剂用量对甲基橙降解率的影响

由表4可以看出，随着催化剂用量增加，降解率增大；催化剂用量为(10～20) mg时，降解率趋于稳定，选择适宜的催化剂用量为10 mg。

2.5 复合光催化剂的重复利用

将③号光催化剂加入pH为3.8的甲基橙溶液35 mL中，光照3 h后，测其吸光度。洗涤、干燥和结晶后重复上述步骤2次，考察光催化剂重复使用次数对甲基橙降解率的影响，结果见图2。由图2可见，随着催化剂重复使用次数增加，甲基橙降解率下降，催化剂重复使用3次，降解率降至34.2%。

图 2 催化剂重复使用次数对甲基橙降解率的影响Figure 2 Effects of repeated use times of photocatalyst on degradation rate of methyl orange

2.6 正交实验

正交实验结果见表5。

表 5 正交实验结果

由表5可以看出，光催化剂降解甲基橙的主要影响因素顺序为：pH值>温度>催化剂用量>时间，最佳条件为：室温，光催化时间3 h，催化剂用量10 mg,CuO与g-C3N4质量比为3∶10。

3 结 论

(1) 研究了CuO/g-C3N4复合光催化剂降解甲基橙的性能，结果表明，在CuO与g-C3N4质量比为3∶10、反应3 h、甲基橙溶液pH=3.8、催化剂用量10 mg和温度(15～25) ℃条件下，甲基橙降解率最高，催化剂循环使用3次后，降解率降至34.2%。

(2) 正交试验结果表明，光催化剂降解甲基橙的主要影响因素顺序为：pH值>温度>催化剂用量>时间。

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Photocatalytic degradation of methyl orange over CuO/g-C3N4composite photocatalyst

MaoNa

(Weinan Normal University,Weinan 714099,Shaanxi,China)

Using Cu(NO3)2and g-C3N4as raw materials,CuO/g-C3N4composite photocatalysts were prepared by dissolution and evaporation,and then calcination at 500 ℃.The performance of CuO/g-C3N4composite photocatalysts for degradation of methyl orange under visible light was investigated.The results showed that through orthogonal tests,the optimal condition was obtained as follows:methyl orange solution pH=3.8,reaction temperature (15-25) ℃,mass ratio of CuO to g-C3N43∶10,catalyst dosage 10 mg and reaction time 3 h.The maximum degradation rate of methyl orange was 64.6% under the optimal condition.

catalytic chemistry;CuO/g-C3N4composite photocatalyst;methyl oragne;degradation

O644;TQ034 Document code: A Article ID: 1008-1143(2016)12-0072-04

2016-07-29；

2016-11-25

陕西省军民融合项目(16JMR10);陕西省教育厅项目(16JK1266);渭南师范学院育苗项目(16YKP002)

毛 娜，1982年生，女，陕西省渭南市人，硕士，讲师，研究方向为茂锆化合物的合成以及催化硅腈化反应。

10.3969/j.issn.1008-1143.2016.12.014

O644;TQ034

A

1008-1143(2016)12-0072-04

doi:10.3969/j.issn.1008-1143.2016.12.014