石墨相氮化碳的紅外輔助微波法制備及光催化固氮性能

曹宇輝, 佟宇飛, 張 健, 李法云, 范志平, 白 金, 毛 微, 胡紹爭

(遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部, 撫順 113001)

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石墨相氮化碳的紅外輔助微波法制備及光催化固氮性能

曹宇輝, 佟宇飛, 張 健, 李法云, 范志平, 白 金, 毛 微, 胡紹爭

(遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部, 撫順 113001)

采用紅外輔助微波法制備了可見光下具有優(yōu)越固氮性能的石墨相氮化碳催化劑(g-C3N4). 采用X射線衍射(XRD)、 掃描電子顯微鏡(SEM)、 透射電子顯微鏡(TEM)、 氮氣吸附、 紫外-可見光譜(UV-Vis)、 熒光光譜(PL)、 N2-程序升溫脫附(TPD)和電子順磁共振譜(EPR)等對催化劑進行了表征. 結(jié)果表明, 微波處理在催化劑表面形成許多孔狀結(jié)構(gòu), 增大了催化劑的比表面積, 抑制了催化劑光生電子-空穴的復(fù)合; 微波處理還會產(chǎn)生大量氮空穴, 這些氮空穴一方面可以吸附并活化氮氣分子, 另一方面可提升電荷從催化劑到氮氣分子的界面轉(zhuǎn)移能力, 顯著提高催化劑的光催化固氮性能. 采用紅外輔助微波法制備的g-C3N4催化劑比采用單純微波法制備的催化劑具有更多的氮空穴, 表現(xiàn)出更高的光催化固氮性能.

紅外輔助微波法; 石墨相氮化碳; 固氮; 氮空穴; 光催化

近年來, 石墨型氮化碳(g-C3N4)由于具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和獨特的電子能帶結(jié)構(gòu)而被廣泛應(yīng)用于光催化[7]、 燃料電池[8]、 有機合成[9]和儲氣[10]等領(lǐng)域. 通常, 雙氰胺或三聚氰胺等原料在500～550 ℃下發(fā)生縮聚反應(yīng)能得到g-C3N4. 此高溫焙燒過程導(dǎo)致生成的g-C3N4團聚嚴重, 比表面積較低, 而比表面積的大小對催化劑性能將起到至關(guān)重要的作用. 微波加熱依靠物體吸收微波能并將其轉(zhuǎn)換成熱能,不須任何熱傳導(dǎo)過程就能使物料內(nèi)外部同時升溫. 本文采用紅外輔助微波法制備了g-C3N4催化劑. 結(jié)果表明, 微波處理會在催化劑表面形成許多孔狀結(jié)構(gòu), 顯著提高了催化劑的比表面積; 此外, 微波處理會在催化劑表面產(chǎn)生大量氮空穴. 本文還探討了氮空穴對催化劑結(jié)構(gòu)性質(zhì)、 光學(xué)性質(zhì)以及光催化固氮性能的影響.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

所用試劑均為分析純, 購自天津化學(xué)試劑廠. 所有水溶液均用去離子水配制.

XRD-7000 X型射線衍射儀(日本島津公司), 輻射源CuKα1, 工作電壓40 kV, 工作電流30 mA; ASAP 2010型物理吸附儀(美國Micrometrics公司), 測試前, 樣品先于350 ℃下真空脫氣處理10 h, 樣品的比表面積通過Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法求得; JSM 5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM, 日本電子有限公司); Philips Tecnai G220型高倍透射電子顯微鏡(HRTEM, 美國FEI公司); EMX-220型電子順磁共振儀(EPR, 美國Bruker公司); CHEMBET-3000程序升溫脫附儀(TPD, 美國康塔儀器公司); Elan6100DRC型ICP-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP, 美國Perkin Elmer公司); UV-550型紫外-可見光譜儀(UV-Vis, 日本JASCA公司); FP-6300型熒光分光光度計(日本分光公司), 以Xe燈為激發(fā)光源; CHI 618C型電化學(xué)分析儀(上海辰華儀器有限公司), 以500 W氙燈為光源, 鉑片為對電極, Ag/AgCl為參比電極, 1.0 mol/L Na2SO4為電解液.

1.2 催化劑的制備

將6 g硫脲用研缽研磨30 min后轉(zhuǎn)入25 mL坩堝中. 將此坩堝放入200 mL大坩堝中, 并用微波吸收材料CuO粉末填滿大坩堝. 將大坩堝放入微波爐(格蘭仕 G70D20CN1P-D2)中, 紅外輔助微波處理20～40 min(輸入功率0.8 kW/h), 得到的催化劑命名為IM-CN(x),x表示微波處理時間(min). 重復(fù)上述操作, 在單純微波下處理15～30 min, 輸入功率1.0 kW/h, 得到的催化劑命名為M-CN(x),x表示微波處理時間(min). 此外, 采用傳統(tǒng)焙燒法將硫脲直接在520 ℃下焙燒2 h, 升溫速率5 ℃/min, 得到的催化劑命名為CN520.

1.3 催化活性評價

根據(jù)文獻[6]報道的方法評價催化劑的光催化固氮性能. 以250 W高壓鈉燈(主波長400～800 nm)為可見光光源, 以0.5 mol/L的亞硝酸鈉水溶液為鈉燈冷卻循環(huán)水濾去光源中紫外光部分(流速0.5 L/min); 以0.789 g/L的乙醇為空穴捕獲劑. 將0.2 g催化劑加入到500 mL乙醇水溶液中, 攪拌0.5 h以充分分散; 攪拌條件下將溶液放在光源下進行照射, 同時鼓入空氣(30 ℃, 標準大氣壓). 每隔1 h取5 mL懸浮液置于離心管中, 在3000 r/min轉(zhuǎn)速下離心15 min后取上層清液, 利用紫外-可見分光光度計, 采用納氏試劑法分析產(chǎn)物中銨離子濃度(JB7478-87)[6,11], 具體方法如下: 取10 mL待測樣品放入25 mL容量瓶中定容到25 mL. 滴加0.5 mL酒石酸鉀鈉溶液(2.17 mol/L)和0.75 mL納氏試劑, 靜置10 min后, 利用紫外-可見分光光度計測試樣品在420 nm波長處的吸光度. 銨離子濃度(mg/L)采用標準曲線換算得到, 換算公式為: 銨離子濃度=(樣品吸光度-純水吸光度)×5.642.

2 結(jié)果與討論

2.1 光催化固氮性能評價

Fig.1 Nitrogen photofixation ability of catalysts prepared by different microwave treating time(A) and photocatalytic stability of IM-CN(30)(B)

Fig.2 Effect of NaNO2 concentration(a) and flow rate(b) on N2 photofixation ability over as-prepared IM-CN(30)

2.2 XRD分析

由圖3可見, CN520有2個特征衍射峰, 分別位于2θ=13.1°和27.5°處, 其中27.5°處的衍射峰為芳香物層間堆積特征峰, 歸屬于(002)晶面; 13.1°處的衍射峰是Melon類結(jié)構(gòu)的特征峰, 歸屬于(100)晶面[12,13]. 單純微波處理15 min和紅外輔助微波處理20 min的催化劑顯示出g-C3N4的特征峰, 說明微波法能在短時間內(nèi)制備出g-C3N4催化劑. 但M-CN(15)和IM-CN(20)的XRD譜圖中有很多雜峰, 說明其結(jié)構(gòu)還很不完整. 當(dāng)單純微波處理時間和紅外輔助微波處理時間分別延長至20 min及25 min時, 得到的催化劑顯示出完整的g-C3N4晶體結(jié)構(gòu). 由圖3還可看出, 微波處理制備的g-C3N4催化劑的衍射峰位置與CN520相比均向低角度方向位移0.3°. 這可能是由于微波處理法制備的g-C3N4催化劑存在晶格缺陷導(dǎo)致的. 由ICP結(jié)果得到的CN520的C/N原子比為0.74, 與其理論值非常相近. M-CN(20)和IM-CN(30)的C/N原子比分別為0.78和0.82, 高于CN520的C/N原子比. 結(jié)合XRD結(jié)果, 微波處理法制備的g-C3N4催化劑中存在的晶格缺陷應(yīng)為氮空穴. 紅外輔助微波處理制備的IM-CN(30)催化劑的C/N原子比高于單純微波處理得到的M-CN(20)應(yīng)具有更多的氮空穴位. 此外, ICP結(jié)果顯示催化劑中不含硫元素, 與文獻[14]結(jié)果一致.

Fig.3 XRD patterns of as-prepared catalysts under microwave(A) and infrared ray assisted microwave(B) treatment

2.3 SEM與HRTEM分析

如圖4(A)所示, CN520催化劑具有光滑的層狀結(jié)構(gòu); 微波處理得到的M-CN(20)催化劑也顯示出類似的層狀結(jié)構(gòu)[圖4(B)], 但其表面有很多無規(guī)則的小孔; IM-CN(30)的形貌與M-CN(20)沒有明顯差別[圖4(C)], 說明紅外照射對催化劑形貌沒有產(chǎn)生顯著影響. 圖4(D)為IM-CN(30)的HRTEM照片, 從圖中可以清楚地看出IM-CN(30)具有規(guī)整的晶格結(jié)構(gòu). 其晶格間距為0.330 nm, 與g-C3N4的(002)晶面間距一致[15～17], 證實采用紅外輔助微波法制備了g-C3N4催化劑.

Fig.4 SEM images of as-prepared CN520(A), M-CN(20)(B), IM-CN(30)(C) and HRTEM image of IM-CN(30)(D)

2.4 氮氣吸附-脫附分析

催化劑的比表面積對其催化性能有至關(guān)重要的影響[18]. 圖5為CN520, M-CN(20)和IM-CN(30)的N2吸附-脫附等溫線. 可以看出, 3個催化劑都呈現(xiàn)出典型的Ⅳ型等溫線, 表明三者均具有介孔結(jié)構(gòu). 采用BET法計算CN520的比表面積(SBET)為9.4 m2/g, 與文獻[18,19]的結(jié)果相近; 而M-CN(20)和IM-CN(30)的SBET分別為45.6和47.2 m2/g, 與CN520相比有顯著提高, 這是由于M-CN(20)和IM-CN(30)表面存在許多不規(guī)則的孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的. M-CN(20)和IM-CN(30)兩者的SBET沒有顯著差異, 說明比表面積不是導(dǎo)致二者固氮性能差異的主要原因.

Fig.5 Nitrogen adsorption-desorption isotherms of CN520(a), M-CN(20)(b) and IM-CN(30)(c)

Fig.6 UV-Vis spectra of CN520(a), M-CN(20)(b) and IM-CN(30)(c)

2.5 UV-Vis光譜分析

由UV-Vis光譜圖(圖6)可見, CN520的吸收邊界(λg)為460 nm, 利用公式Eg=1240/λg計算出其帶隙能Eg為2.70 eV. M-CN(20)和IM-CN(30)表現(xiàn)出明顯的吸收邊界藍移現(xiàn)象, 吸收邊界分別位于450和432 nm, 帶隙能分別為2.76和2.87 eV. ICP結(jié)果顯示催化劑中無硫元素, 排除了硫摻雜改變能帶的可能性, 由此推斷能帶結(jié)構(gòu)的變化可能是由于催化劑中存在氮空穴引起的. 此外, 從圖6中還可以看出微波處理所得催化劑與CN520的顯著區(qū)別, M-CN(20)和IM-CN(30)對波長450～700 nm的可見光出現(xiàn)普遍吸收現(xiàn)象, 這是由于微波處理所得催化劑中存在氮空穴引起的[20].

2.6 EPR和N2-TPD分析

EPR譜能提供催化劑表面存在缺陷態(tài)的直接證據(jù), 如氧空穴、 氮空穴等[21,22]. 如圖7所示, CN520的EPR譜圖中沒有信號峰, 說明CN520不存在未配對單電子. 而M-CN(20)和IM-CN(30)的EPR譜圖中在g=2.003處出現(xiàn)了明顯的信號峰, 說明這2個催化劑存在未配對單電子. 此未配對單電子是由于M-CN(20)和IM-CN(30)催化劑上存在氮空穴產(chǎn)生的[21,22]. 此外, IM-CN(30)的EPR信號峰強度明顯強于M-CN(20), 說明其表面的氮空穴含量大于M-CN(20).

Fig.7 EPR spectra of CN520(a), M-CN(20)(b)and IM-CN(30)(c)

Fig.8 N2-TPD curves of as-prepared CN520(a), M-CN(20)(b) and IM-CN(30)(c)

反應(yīng)物在催化劑表面的化學(xué)吸附過程通常被認為是反應(yīng)物活化過程, 對催化劑的性能起到至關(guān)重要的作用. 由催化劑的N2-TPD結(jié)果(圖8)可以看出, CN520表面只存在一種吸附的氮氣物種, 其脫附溫度約為120 ℃, 應(yīng)為物理吸附. 微波處理得到的催化劑M-CN(20)和IM-CN(30)表面存在2種吸附的氮氣物種, 脫附溫度分別為120和260 ℃, 表明M-CN(20)和IM-CN(30)除了對氮氣存在物理吸附作用外, 還存在化學(xué)吸附作用, 這可能是由于M-CN(20)和IM-CN(30)表面存在的氮空穴充當(dāng)了氮氣分子的化學(xué)吸附位, 這些氮空穴具有與氮原子相似的尺寸與形貌, 因此能吸附并活化氮氣分子, 使催化劑的光催化固氮性能顯著提高. 此外, 從圖8中可以看出, IM-CN(30)表面化學(xué)吸附的氮氣物種多于M-CN(20), 說明IM-CN(30)表面的氮空穴位多于M-CN(20), 這與上述表征結(jié)果一致. 更多的氮空穴能同時活化更多氮氣分子, 因此IM-CN(30)的光催化固氮性能優(yōu)于M-CN(20).

2.7 PL光譜分析

Fig.9 PL spectra of as-prepared CN520(a), M-CN(20)(b) and IM-CN(30)(c) under N2 atmosphere(A) and comparison of PL intensity of the samples under Ar or N2 atmospheres(B)

2.8 光電流測試

從圖10(A)可以看出, 在氮氣氣氛下, M-CN(20)和IM-CN(30)的光電流強度明顯強于CN520, 再次證實了微波法制備催化劑的電子-空穴分離效率優(yōu)于焙燒得到的CN520. 此外, M-CN(20)和IM-CN(30)的光電流強度在開燈初始時有隨光照時間延長而逐漸衰減的趨勢, 衰減到一定程度后基本保持穩(wěn)定. IM-CN(30)的衰減幅度大于M-CN(20), 這可能是由于M-CN(20)和IM-CN(30)表面的光電子轉(zhuǎn)移至化學(xué)吸附的氮氣分子所致. 而CN520則沒有發(fā)生類似的電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象, 因此沒有光電流的衰減. 由于IM-CN(30)表面的氮空穴多于M-CN(20), 導(dǎo)致更多化學(xué)吸附的氮氣分子捕獲了更多的光電子, 所以其光電流衰減幅度大于M-CN(20). Li等[11]也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果. 圖10(B)對比了CN520和IM-CN(30)在氮氣和氬氣氣氛下的光電流強度. CN520在2種氣氛下的光電流強度基本一致, 而IM-CN(30)在氬氣氣氛下的光電流沒有發(fā)生衰減情況, 說明氮氣氣氛是電流衰減的必要條件. 由此進一步證實了IM-CN(30)表面的氮空穴有利于光電子在催化劑與吸附的氮氣間的轉(zhuǎn)移.

Fig.10 Photocurrent response of as-prepared catalysts under N2 or Ar atmospheres

綜上所述, 采用紅外輔助微波法制備了可見光下具有優(yōu)越固氮性能的g-C3N4催化劑. 研究結(jié)果表明, 微波處理在催化劑表面形成許多不規(guī)則的小孔, 增大了催化劑的比表面積; 另外, 微波處理會產(chǎn)生大量氮空穴, 這些氮空穴一方面可以吸附并活化氮氣分子, 另一方面提升了光電子從催化劑到氮氣分子的界面轉(zhuǎn)移能力, 抑制了催化劑光生電子-空穴的復(fù)合, 顯著提高了催化劑的光催化固氮性能. 紅外輔助微波法制備的g-C3N4催化劑與單純微波法制備的催化劑相比具有更多的氮空穴, 表現(xiàn)出更高的光催化固氮性能.

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(Ed.: S, Z, M)

Infrared Ray Assisted Microwave Synthesis of Graphitic Carbon Nitride and Its Nitrogen Photofixation Ability?

? Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41571464) and the Education Department of Liaoning Province, China(No.L2014145).

CAO Yuhui, TONG Yufei, ZHANG Jian*, LI Fayun, FAN Zhiping,BAI Jin, MAO Wei, HU Shaozheng*

(CollegeofChemistry,ChemicalEngineering,andEnvironmentalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,Fushun113001,China)

A convenient infrared ray assisted microwave method was used to synthesize graphitic carbon nitride(g-C3N4) with outstanding nitrogen photofixation ability under visible light. X-ray diffraction(XRD), N2adsorption, UV-Vis spectroscopy, scanning electron microscopy(SEM), transmission electron microscopy(TEM), N2-temperature programmed desorption(TPD), electron paramagnetic resonance(EPR), photoluminescence spectroscopy(PL) and photocurrent measurements were used to characterize the prepared catalysts. The results indicate that microwave treatment can form many irregular pores in the as-prepared g-C3N4, which causes the increased surface area. More importantly, microwave treatment causes the formation of many nitrogen vacancies in the as-prepared g-C3N4. These nitrogen vacancies not only serve as active sites to adsorb and activate N2molecules but also promote the interfacial charge transfer from catalysts to N2molecules and the separation rate of electrons-hole pairs, thus significantly improving the nitrogen photofixation ability. The higher nitrogen vacancy concentration of g-C3N4prepared by infrared ray assisted microwave treatment causes the more chemisorption sites, leading to the higher nitrogen photofixation performance. This method is simple and convenient, and is suitable for large-scale production of g-C3N4catalyst.

Infrared ray assisted microwave method; Graphitic carbon nitride(g-C3N4); N2photofixation; Nitrogen vacancy; Photocatalysis

2016-03-14.

日期: 2016-06-27.

國家自然科學(xué)基金(批準號: 41571464)和遼寧省教育廳一般項目(批準號: L2014145)資助.

10.7503/cjcu20160148

O644

A

聯(lián)系人簡介: 胡紹爭, 男, 博士, 副教授, 主要從事新型光催化材料研究. E-mail: hushaozhenglnpu@163.com

張 健, 男, 博士, 副教授, 主要從事多相催化及催化氧化方面的研究. E-mail: zhangjianlnpu@163.com