自然光下g-C3N4的甲基橙去除性能研究

朱鸿博 徐 靓

(湖南城市学院 材料与化学工程学院，湖南 益阳 413099)

在愈加严峻的环境治理态势下，如何有效的降低有机污染废水对自然流域的污染显得极为重要。光催化技术，特别是可见光光催化技术，成为一种绿色、高效、节能的废水处理手段[1-2]。其能有效的通过产生活性自由基，来分解水中的有机污染物，近年来，受到国内外的广泛研究[3]。但是，大量关于g-C3N4的研究都主要集中于实验室阶段的测试，利用氙灯模拟日光[4-5]。这种测试方式，其氙灯的光照强度和温度难以等同于实际应用环境中的日光效果，所得的实验结果，不利于评价g-C3N4材料的实际应用价值和应用前景。

为此，本文中，采用尿素、二氰二胺、三聚氰胺作为原料，分别合成了3种不同类型的g-C3N4材料。在分别测试了其甲基橙降解性能，并分析了其最佳的应用固液比和对甲基橙的浓度处理范围。最后再在实际的日光下，评价了不同时段下，g-C3N4对甲基橙的日光处理效果。

1 材料合成

1.1 试剂

本研究采用的原料均为分析纯且购自天津科密欧公司。

1.2 g-C3N4的合成

准确称取10 g尿素、二氰二胺、三聚氰胺，分别置于30 mL的坩埚中，以5℃/min的升温速率升至530℃后，持续热聚合处理4 h，得到的黄色产物研磨充分后，密封保存。根据原料的不同，分别命名为uCN(尿素)、dCN(二氰二胺)、mCN(三聚氰胺)。

1.3 甲基橙降解效果

以合成的g-C3N4作为催化剂，在日光下(13：00-14：00)晒一定时长后，取2 mL反应后的催化剂和甲基橙混合样，过滤后测定其462 nm下的吸光度值，根据琅勃比尔定律，求出甲基橙的浓度，计算出出甲基橙的降解率。

2 结构分析

2.1 XRD结果

分析了合成样品的X射线衍射峰，如图1所示。可以看出，三种材料都具有两个13.1°和27.3°的g-C3N4特征峰，这表明三种原料都成功的制备出了g-C3N4，而峰强度的不同也表明不同原料合成的g-C3N4存在一定的晶体结构差异。

图1 不同原料合成的g-C3N4的XRD结果

2.2 SEM表征

采用SEM进一步观察合成的g-C3N4材料的结构特点，如图2所示。可以看出，三种材料都具有明显的g-C3N4层状堆叠的结构特征，且以尿素作为原料合成的g-C3N4的结构最为蓬松。愈加多孔的结果，能促进更多的表面接触位点的暴露，从而增加与溶液中甲基橙分子的接触概率，增加反应的可能性。

3 降解性能

3.1 不同原料的影响

首先分析了三种不同g-C3N4的甲基橙降解效果，如图3所示。明显看出，固液比为1%时，尿素合成的uCN能最快的完成对浓度为20mg/L的甲基橙的降解，60min内，降解率可达99%。同时，dCN和mCN也能有有效的去除甲基橙，这表明g-C3N4材料在环境中有机物废水处理上的应用前景。

图3 不同原料合成的g-C3N4的甲基橙去除效果

3.2 不同液料比的影响

进一步分析了光催化剂添加量对甲基橙降解效果的影响，如图4可以发现，随着固液比的增加，甲基橙降解率不断提高，当固液比达到1%时，甲基橙的降解率达到峰值。此时，继续增加催化剂的量，甲基橙的降解率将不再提高。因此，可认为最佳的固液比比例为1%。

图4 不同固液比下的甲基橙降解率

3.3 甲基橙浓度的影响

继续分析了g-C3N4光催化对甲基橙的浓度处理范围，如图5可以看出，在固液比为1%时，g-C3N4能在5-50mg/L浓度范围内实现对甲基橙的有效去除。其中uCN具有最佳的光催化去除效果，在中等浓度下的含甲基橙废水中，能实现最高的降解率。

图5 不同甲基橙浓度对g-C3N4的降解效果的影响

3.4 不同时段的甲基橙降解效果

为实现绿色化工艺的开发，本文验证了日光下g-C3N4的光催化效果。为此，于2020年6月15日在湖南城市学院进行了室外日光降解测试，于特定的时间段，按固液比为1%、反应时间为60min、甲基橙浓度为20mg/L测定了甲基橙降解效果。可以看出，室外温度和日照强度对光催化效率起着关键作用。特别是当日照效果和环境温度强烈的11：00-14：00时段，不同原料制备的g-C3N4都展现出了最佳的光催化性能。特别是，尿素合成的uCN能在该时段下，实现90%以上的光催化效果，具有良好的实际应用前景。

4 结论

本研究探究了自然光下，不同原料合成的g-C3N4的有机污染物去除性能。结果表明，g-C3N4是一种优良的绿色光催化剂，能有效的在日光环境下，实现对水体中等浓度的甲基橙污染物的90%以上的去除率，是一种极具潜力的环境治理光催化材料。

图6 不同时段下的甲基橙日光降解率及相应的温度表