BiOBr/g—C3N4的制備及其可見光催化降解RhB研究

歐陽兵++劉彪++趙玉寶

摘要：于常溫常壓下，將BiOBr沉積到g-C3N4表面，得到不同質(zhì)量比的復合物。進行了可見光催化降解RhB的實驗，結(jié)果表明：BiOBr與g-C3N4的質(zhì)量比為1∶2復合物活性最高，同時具有較好的穩(wěn)定性，其速率常數(shù)是純BiOBr的2.5倍、純g-C3N4的20倍。

關(guān)鍵詞：光催化活性； 半導體復合； 可見光； 降解率； 速率常數(shù)

中圖分類號：D643.3

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10023002

1 引言

當前環(huán)境污染嚴重制約著經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，危害人類健康。印染工業(yè)排放的大量有機廢水中含有很多強毒性染料等有害物質(zhì)，羅丹明B（RhB）即是三芳甲烷類類染料的典型代表[1]。傳統(tǒng)的有機廢水處理方法如吸附法[2]、膜分離法[3]以及電化學法[4]等因工藝復雜、能效低、成本高等未能得以廣泛應用。基于半導體的可見光催化，有望解決有機污染物的高效降解問題。石墨相氮化碳（g-C3N4）作為一種常見的不含金屬元素的半導體材料，因其廉價、無毒、穩(wěn)定、帶隙適中，已成為可見光催化研究材料的熱點之一[5]。

2 實驗

2.1 光催化劑制備

2.1.1 氮化碳的合成

稱取10 g的三聚氰胺，放入坩堝并加蓋，置于程序升溫電阻爐，以2.5℃/min加熱至550℃，然后保溫4 h，自然冷卻至常溫，收集淡黃色的固體粉末即為g-C3N4。

2.1.2 氮化碳與溴氧化鉍的復合

向100 mL的去離子水中，加入0.25 g的g-C3N4及0.405 g的溴化鉀，超聲處理1 h，得到的懸浮液記為A；0.4 g的五水合硝酸鉍加入到50 mL的醋酸溶液中（5%），攪拌30 min，得到的溶液記為B；再將溶液B加入到A中，磁力攪拌1 h，然后離心分離并用去離子水充分洗滌，得到的沉淀物放置干燥箱中70℃干燥10 h，得到BiOBr/g-C3N4質(zhì)量比1∶1的復合物。調(diào)整g-C3N4的用量，采用上述過程，可制得不同質(zhì)量比的復合物。

2.2 物性表征

XRD測定在X″pert PRO型的X射線粉末衍射儀上進行，輻射源為Cu-Ka（激發(fā)波長為1.5406 ），工作電壓40 kV，工作電流30 mA，掃描步長0.02°。在日立UV-3900上進行紫外可見漫反射光譜（UV-vis DRS）測定。

2.3 光催化活性評價

將100 mg樣品加入到100 mL、濃度C0為20 mg/L的RhB溶液中，在無光條件下攪拌30 min使體系達到吸附平衡，取2 mL懸浮液經(jīng)離心分離，將上層清液1 mL加水稀釋5倍，在752B型紫外可見分光光度計上，測其于波長552 nm處的吸光度A0；然后開啟18 W 白光LED燈輻照反應體系，每隔10 min取樣，按上述過程測其吸光度At。

求算RhB降解率D的關(guān)系式為：

D =1-Ct/C0=（1-At/A0）×100%。

3 結(jié)果討論

3.1 XRD分析

圖1中是該研究樣品的XRD圖。從中可以看到：純BiOBr的衍射峰與標準卡片（JCPDS No. 09-0393）一致，表明其結(jié)構(gòu)為四方相；g-C3N4有2個較寬的吸收峰，12.7°的衍射峰可歸屬為g-C3N4三嗪單元結(jié)構(gòu)的層間堆積，相應于{002}晶面、位于27.5°的較強峰歸屬類石墨結(jié)構(gòu)材料的層內(nèi)堆積；兩相復合后，隨g-C3N4含量的增加，相應于BiOBr衍射峰的強度逐漸減弱，同時相應g-C3N4的峰強度逐漸增強，說明BiOBr/g-C3N4已經(jīng)成功復合。

3.2 UV-vis DRS分析

紫外可見漫反射光譜分析顯示，純BiOBr的吸收邊約在440 nm，由半導體的禁帶寬度Eg/eV與吸收截止波長λ/nm的關(guān)系式[6]Eg=1240/λ，可估算出其Eg約為2.81 eV。將其與g-C3N4復合后，吸收邊相對于純BiOBr發(fā)生紅移，Eg有所減小，且以BiOBr/g-C3N4質(zhì)量比為1∶2復合物的Eg最小。這一結(jié)果表明，復合物對可見光的吸收增強，有利于提高對可見光的利用率。

3.3 光催化性能分析

先以去離子水做空白，在552 nm的波長下測定濃度為1～6 mg/L的RhB溶液的吸光度，繪制RhB溶液濃度的標準曲線，結(jié)果表明線性良好（圖2）。

3.4 催化穩(wěn)定性

對復合物BiOBr/g-C3N4（1∶2）光催化降解RhB的穩(wěn)定性進行了初步考察。一輪實驗完成后，經(jīng)離心分離后，更換新的RhB溶液，同樣條件下再次進行光催化降解實驗。經(jīng)4次回收循環(huán)實驗，未降解的RhB僅有10%，即該樣品可保持初次90%的降解活性，具有較好的穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]

李家珍.染料染色工業(yè)廢水[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001.

[2]A. Gürses， . Doar， M. Yalln， et al. The adsorption kinetics of the cationic dye， methylene blue， onto clay[J]. Journal of Hazardous Materials， 2006， 131（1～3）：217～228.

[3]范莉莉， 陸人武， 陳煒鵬. 反滲透技術(shù)處理染料廢水的試驗研究[J]. 環(huán)境科技， 2009（a01）：19～20.

[4]繆 娟， 符德學. 電化學技術(shù)在廢水處理中的應用[J]. 化工時刊， 2005， 19（9）：46～49.

[5]Wang X， Blechert S， Antonietti M. Polymeric Graphitic Carbon Nitride for Heterogeneous Photocatalysis[J]. Acs Catalysis， 2012， 2（8）：1596～1606.

[6]劉昶時. 更精確地利用光譜自然確定禁帶寬度[J]. 光電工程， 2011， 38（4）：48～53.