ZnO/g-C3N4复合材料的制备及对甲基橙降解性能研究

杨林芳

(吕梁学院 化学化工系，山西 离石 033001)

0 引言

伴随着人类的活动，越来越多的化学垃圾被排放到大自然中，难降解的有机污染物就是其中一种，这些污染物中能够自发降解的只有极小一部分，对人类的生命健康造成了极大的威胁[1-3].光催化技术是目前处理难降解有机污染物最有效的方法之一.这是一种新兴的，高效的，节能的现代绿色环保技术，可以在可见光下降解多种污染物[4-7]. 光催化技术不仅可以用于处理水污染，而且还能应对空气污染，土壤污染和灭菌.光催化技术显示出非常广泛的应用价值[7].

甲基橙，别称为金莲D，是一种有毒物质.该物质不能在自然条件下自降解，对水体污染较大[8-10]，该实验用甲基橙做模式污染物，探究实验制备的光催化剂对甲基橙的降解性能.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：三聚氰胺(化学纯，国药集团化学试剂有限公司)；乙酸锌(化学纯，天津市光复精细化工有限公司)；甲基橙(化学纯，天津北辰方正化工有限公司)；去离子水(分析纯，国药集团化学试剂有限公司).

仪器：双光束紫外可见分光光度计(UV-2100型，北京瑞利分析仪器公司)；恒温电阻箱(SX-2.5-10型，天津市泰斯特仪器有限公司)；X-射线衍射仪(XRD)(XD2多晶X射线衍射仪，北京普析通用仪器有限责任公司)；扫描电子显微镜(JSM-6010PLUS/LV，上海通谱检测技术有限公司)；电热鼓风干燥箱(DHG-9070，上海一恒科学仪器有限公司)；傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR850，天津港东科技股份有限公司)；离心沉淀机(80-1，姜堰市新康医疗器械有限公司).

1.2 g-C3N4的制备

用分析天平称取20 g三聚氰胺，并将其置于坩埚中，放入SX-2.5-10型恒温电阻箱中，设置升温速率为5℃/min进行升温[14]，当温度升高至350摄氏度时使其保持1 h，后继续使其升温到389℃进行煅烧保持0.5 h，然后逐渐升温到525℃，持续时间为4 h[15]，煅烧完成后自然冷却至室温，并用研磨套装研磨1 h，最终得到淡黄色粉末g-C3N4.

图1 石墨相氮化碳制备流程

1.3 ZnO的制备

用分析天平称取10 g的乙酸锌，并将其置于坩埚中，在370℃下放入恒温电阻箱中进行煅烧，持续时间为2 h，最终得到白色粉末ZnO.

1.4 ZnO/g-C3N4的制备

将Zn(CH3COO)2·2H2O与g-C3N4分别以1∶1的质量比例进行混合掺杂，并用研磨套具研磨均匀，后放置在恒温电阻箱中在550℃下煅烧2 h[16]，最终得到了ZnO/g-C3N4复合材料.

1.5 样品的物像形貌表征

该研究中利用X-射线衍射仪(XRD) 和扫描电子显微镜(SEM)测试所制备样品的物相和形貌结构.

1.6 甲基橙标准溶液的配制

使用电子分析天平称量5 mg的甲基橙试剂，并用去离子水将其溶解，分三次移至500 ml的容量瓶中，用胶头滴管定容至刻度线，摇匀待用.

1.7 复合材料对甲基橙降解性能的测定

本研究采用甲基橙(MO)作为有机污染物，用紫外可见分光光度计对所得样品的光催化性能进行测定.使用天平分别称取ZnO、g-C3N4和ZnO/g-C3N4催化剂粉末各0.5 g于三200 ml烧杯中，分别加入200 ml浓度为10 mg/L的甲基橙溶液，并各加入一个小磁子，将烧杯放入磁力搅拌器上搅拌，在暗处持续搅拌40 min，取样离心，并用UV-2100型双光束紫外可见分光光度计测其吸光度A0.置于太阳光下，每隔一小时取样离心，测其吸光度At，本实验一共进行了7 d，最后根据数据计算降解率，绘制浓度曲线.

2 结果与分析

2.1 x射线衍射分析

图2 a、b、c、d分别为g-C3N4、ZnO、ZnO/g-C3N4三者对比的XRD图

图2中的图a为的g- C3N4XRD图谱，从该谱图中可以看出，2θ 为13．1°和 27．4°处出现衍射峰，属于共轭芳香族化合物的层间堆叠[11]，表明蜜勒胺全部转化为g-C3N4和层内结构单元的周期性排列，合成产物为层状类石墨相氮化碳[16].

图b为ZnO的XRD图谱，从该谱图中可以看出2θ为31.7°、34.2°、36.1°时出现衍射峰，2θ=47.5°、56.4°时也出现衍射峰，2θ=63.0°、66.5°、68.2°、69.3°处也出现衍射峰，说明该物质为六方纤锌矿结构.

图c为ZnO/g-C3N4的XRD图谱，从该的谱图中可以看出2θ为13．1°、和 27．4°、31.7°、34.2°、36.1°、47.5°都出现了特征吸收峰，说明复合材料中有ZnO和g-C3N4两种物质已经充分复合.

图d为这三种样品的比对图，由图可以看出说明复合材料中有ZnO和g-C3N4两种物质的衍射峰.ZnO和g- C3N4已经充分复合.

2.2 扫描电子显微镜分析

图3的图a为g-C3N4的SEM图，从图中可以看出，g-C3N4呈现出类似石墨的层状结构，并且其中存在大量空隙[12-14].图b为ZnO的SEM表征图，从图中可以看出ZnO呈均匀的棍棒状结构.图c为ZnO/g-C3N4的表面形貌图，从图中可以看出掺杂ZnO的g-C3N4结构发生了很明显的变化，有纳米团聚颗粒出现[15].

图3 a，b，c分别为g-C3N4、ZnO、 ZnO-C3N4的SEM图

2.3 光催化活性分析

图4 ZnO,C3N4,ZnO-C3N4的光催化活性曲线图5 ZnO,C3N4,ZnO-C3N4的光催化降解率

由图4可以看出随着时间的推移甲基橙的吸光度A0在逐渐下降，通过公式：

((A0-At)/A0)*100%

(1)

计算得到了ZnO，g-C3N4，ZnO/g-C3N4的光催化甲基橙的降解率，如图5所示，ZnO为24.80%、g-C3N4为69.73%、ZnO-C3N4复合材料为84.66%.表明ZnO-C3N4复合材料对甲基橙的光催化性能比ZnO和g-C3N4的都好，g-C3N4和ZnO这两种材料复合之后可以显现出更好的光催化性能.

3 结论

本研究成功制备出了g-C3N4以及ZnO/g-C3N4复合材料.研究了ZnO、g-C3N4和ZnO/g-C3N4复合材料对甲基橙的可见光催化降解性能.计算得到ZnO，g-C3N4，ZnO/g-C3N4的光催化降解率，分别为24.80%、69.73%、84.66%.表明ZnO/g-C3N4复合材料比g-C3N4和ZnO的光催化降解性能更好.

ZnO/g-C3N4复合材料作为一种新型材料在光催化应用的领域表现出显著的优越性，对处理甲基橙这种有机污染物有很明显的效果，但是人类对环境产生的污染物不仅有这些，还有重金属、汞、镉、铅、氰化物、有机磷及其他无机污染物，所以还需进一步的研究.