g-C3N4/TiO2复合光催化剂的制备及其光催化性能

卜义夫，单 译，刘思乐，张延祥，王思祺，万帅龙

（沈阳科技学院化学工程系，辽宁 沈阳 110167）

印染废水具有水量大、色度大、碱性高等特点，含有助剂、染料、糊料、无机盐等多种成分。这给印染废水的处理带来了许多困难，目前常见的印染废水处理方法有：混凝法［1］、光催化氧化法［2-3］、膜分离法［4-5］等，其中光催化氧化法具有工艺流程简单、处理彻底等优点，备受国内外科研人员的关注。光催化氧化法的核心是光催化剂，TiO2是目前最常见的催化剂，TiO2的改性也备受研究者瞩目，常见的改性方法有掺杂金属或非金属。秦莲等［6］通过水热法制备氮掺杂花状黑色TiO2，研究其对甲基橙溶液的光催化降解性能。陈志力等［7］制备了TiO2/改性膨润土，并研究其对罗丹明B 的吸附-光催化降解协同去除，结果表明：其对罗丹明B 的降解率达到了91.82%。Moslah等［8］通过低温水解法制备W-TiO2催化剂，并研究其对亚甲基蓝溶液的光催化降解。本实验通过煅烧法将g-C3N4掺杂到TiO2中，制备g-C3N4/TiO2复合光催化剂，研究其对罗丹明B（RhB）的光催化降解和循环使用性能，并对g-C3N4/TiO2复合光催化剂光催化降解罗丹明B 溶液的机理进行了探讨。

1 实验

1.1 药品与仪器

药品：三聚氰胺、二氧化钛、罗丹明B（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

仪器：JLG 型真空管式炉（上海聚勒实业发展有限公司），Teneo 型扫描电镜（美国FEI 公司），D2 型X射线衍射仪（德国Bruker 公司），UV-2600 型紫外-可见分光光度计（日本岛津公司），TD5Z型离心机（盐城市凯特实验仪器有限公司），Tundra 型透射电镜（荷兰Thermo Scientific 公司）。

1.2 g-C3N4及g-C3N4/TiO2的制备

采用直接热聚合法制备g-C3N4。称取10 g 三聚氰胺倒入盖有盖的氧化铝坩埚中，放入真空管式炉中，530 ℃煅烧4.5 h，冷却至室温取出，制得淡黄色的g-C3N4。

采用煅烧法制备g-C3N4/TiO2复合光催化剂。具体流程如下：将TiO2和g-C3N4分别以1∶1、1∶3、1∶5 的质量比投入氧化铝坩埚中，放入真空管式炉中，450 ℃煅烧4.5 h，冷却至室温取出，研磨，制得g-C3N4/TiO2复合光催化剂。具体流程如下：

1.3 光催化降解实验

将不同质量的g-C3N4/TiO2加入1.0 L 罗丹明B 溶液中，将反应装置放在暗处反应30 min，使其达到吸附-脱附平衡；然后移入光反应器中，打开氙灯，加装滤光片滤除紫外线，每隔一段时间取样一次，离心后取上层清液，使用紫外-可见分光光度计测定其最大吸收波长处的吸光度。

1.4 测试

扫描电镜（SEM）：使用扫描电镜对g-C3N4/TiO2复合光催化剂的形貌进行表征。

透射电镜（TEM）：使用透射电镜对g-C3N4/TiO2复合光催化剂的形貌进行表征。

X 射线衍射（XRD）：使用X 射线衍射仪对TiO2、g-C3N4以及g-C3N4/TiO2复合光催化剂的晶体结构进行表征。仪器参数设置为：KαCu 靶、工作电流40 mA、电压40 kV、扫描范围2θ=10°～80°。

降解率：光催化降解率R的计算式如下：

式中，R为光催化降解率；A为光催化降解后溶液的吸光度；A0为溶液的初始吸光度。

2 结果与讨论

2.1 形貌分析

由图1a 可以看出，TiO2均匀分布在片状的g-C3N4上。由图1b 可以看出，具有晶格结构的TiO2分布在g-C3N4的表面，这有利于提高g-C3N4/TiO2复合光催化剂的比表面积，同时有利于异质结的形成，这都提高了g-C3N4/TiO2复合光催化剂的光催化降解性能。

2.2 结构分析

由图2 可知，TiO2在2θ=25.2°、38.2°、48.2°等处出现了特征衍射峰，对应锐钛矿型TiO2的晶面，说明使用的商品化TiO2为锐钛矿型；g-C3N4在2θ=14.7°、27.5°处出现了特征衍射峰；g-C3N4/TiO2复合光催化剂在2θ=25.2°、27.5°、38.2°等处出现了特征衍射峰，g-C3N4/TiO2复合光催化剂同时具有TiO2和g-C3N4的晶面，这说明成功制得了g-C3N4/TiO2复合光催化剂。

2.3 光催化降解性能分析

由图3 可知，与TiO2、g-C3N4相比，g-C3N4/TiO2复合光催化剂对罗丹明B 溶液的光催化降解率得到了显著的提升，且随着g-C3N4与TiO2质量比的不同而变化。随着g-C3N4与TiO2的质量比逐渐增大，g-C3N4/TiO2复合光催化剂对罗丹明B 溶液的光催化降解率逐渐升高，当g-C3N4与TiO2的质量比为5∶1 时，对罗丹明B 溶液的光催化降解率达到最大（98.7%）。

2.4 循环使用性能分析

由图4 可以看出，随着g-C3N4/TiO2复合光催化剂循环使用次数的增加，其对罗丹明B 溶液的光催化降解率逐渐降低，循环使用5 次后，g-C3N4/TiO2复合光催化剂对罗丹明B 溶液的光催化降解率仍然达到79.6%。这对g-C3N4/TiO2复合光催化剂在实际中的应用具有重要意义。

2.5 光催化降解机理分析

如图5 所示，当g-C3N4/TiO2复合光催化剂吸收到的能量大于或等于其本身禁带宽度的光子（hν）时，hν 分离生成光生空穴（h+）和光生电子（e-），e-从g-C3N4/TiO2复合光催化剂的价带（VB）迁移到其导带（CB）上，h+并未发生跃迁，h+与H2O 反应生成·OH 和H+，e-与O2反应生成·，RhB 分子与·OH 或·反应被分解为CO2和H2O。

3 结论

以商品化TiO2和g-C3N4为前驱体通过煅烧法制备g-C3N4/TiO2复合光催化剂。所制备的g-C3N4/TiO2复合光催化剂对罗丹明B 溶液具有良好的光催化降解能力，与单一的TiO2和g-C3N4相比，光催化降解能力显著升高；当g-C3N4和TiO2的质量比为5∶1 时，g-C3N4/TiO2复合光催化剂对罗丹明B 溶液光催化降解率为98.7%；g-C3N4/TiO2复合光催化剂循环使用5 次后仍具有良好的光催化降解能力。