g-C3N4/ZnO復合材料的制備及其光催化性能分析

董曼茹，余欣佳，余 健，林文松

(上海工程技術大學材料工程學院，上海 201620)

1 引 言

本文采用一步水熱法制備了一系列g-C3N4/ZnO復合光催化劑，研究了g-C3N4/ZnO的結構性質及光催化降解亞甲基藍的性能。

2 實 驗

2.1 材 料

尿素(CH4N2O，99%)、2,4,6-三氨基嘧啶(C4H7N5，98%)和二水乙酸鋅(C4H6O4Zn·2H2O)購自阿拉丁試劑公司，均為分析純，使用前沒有進一步純化。

2.2 g-C3N4/ZnO復合材料的制備

2.2.1 g-C3N4的制備

稱取10 g尿素和0.1 g 2,4,6-三氨基嘧啶置于燒杯中，加入100 mL去離子水超聲2 h，并磁力攪拌30 min。隨后在100 ℃環境下干燥約15 h，待水分完全蒸干后可得到淡黃色固體結晶。該固體經研磨后在520 ℃環境下煅燒2 h，然后用10%的氨水將其超聲清洗，經離心、干燥后即可得到純凈的g-C3N4粉末。

2.2.2 g-C3N4/ZnO復合材料的制備

稱取2.000 g二水合乙酸鋅固體溶解于80 mL去離子水中，將5 mL 5%的氨水逐滴加入磁力攪拌下的上述溶液，磁力攪拌30 min后得到白色懸濁液。分別稱取0.291 g、0.582 g、0.873 g的g-C3N4粉末加入到上述懸濁液中，繼續磁力攪拌2 h，而后將得到的混合液全部轉移至聚四氟乙烯內襯的反應釜中，在180 ℃環境下反應24 h后隨空氣冷卻至室溫，經高速離心過濾后得到的固體粉末用無水乙醇和去離子水分別洗滌三次，在100 ℃干燥箱中烘干12 h后即可得到g-C3N4與ZnO質量比分別為1∶2、1∶1和3∶2的g- C3N4/ZnO復合材料。

2.3 樣品表征

使用X射線衍射儀(Panalytic，X’Pert Pro)分析樣品的物相組成；使用場發射透射電鏡(日立，JEM-2100F)觀察樣品的形貌，分析元素組成；使用紅外線光譜分析儀(Thermo，Nicolet 5700)掃描得到樣品的FT-IR光譜，分析其內部基團；使用紫外-可見分光光度計(日本島津，UV2600)生成樣品的紫外-可見吸收光譜，判斷其光譜響應范圍及禁帶寬度的變化情況；使用熒光光度計(日立，F-7000)對樣品掃描生成光致發光光譜，分析光催化劑的電子-空穴復合過程。

2.4 光催化降解實驗

以亞甲基藍溶液作為目標污染物評價光催化劑的降解效率。將0.05 g光催化劑樣品置于50 mL濃度為10 mg/L的亞甲基藍溶液中，在光照前將兩者在暗盒中磁力攪拌1 h進行暗處理，使催化劑對底物的吸附達到飽和，取樣過濾測吸光度。隨后以氙燈作為光源直射入液面進行光催化降解實驗，期間每隔20 min光照后取5 mL懸濁液，離心處理(轉速為3000 r/min)5 min 后取上層清液，用紫外-可見分光光度計于664 nm波長處測定其吸光度，得到吸光度變化曲線，以比較各光催化劑樣品對有機物的光降解效率。

3 結果與討論

3.1 X射線衍射(XRD)分析

圖1 g-C3N4和g-C3N4/ZnO復合材料的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of g-C3N4 and g-C3N4/ZnO composites

圖1是g-C3N4和g-C3N4/ZnO復合材料的X射線衍射圖譜。g-C3N4的衍射圖譜中在12.94°位置處的衍射峰對應著g-C3N4的(001)面(JCPDS87-1526)，表明了材料內部3-s-三嗪環的存在，而27.00°位置處的衍射峰是共軛芳香族化合物的層間堆積特征峰，表明g-C3N4確為片層狀堆疊的非晶體結構。分析g-C3N4/ZnO復合材料的衍射圖譜，可以看出，在27.00°處的衍射峰同樣出現在該曲線中，表明g-C3N4存在于復合材料之中。除此之外，2θ角分別處于31.83°、34.31°、36.23°、47.43°、56.58°、62.86°、66.42°、67.94°、69.06°、72.75°、77.09°和81.50°位置時的衍射峰符合六方纖鋅礦結構的ZnO的衍射特征譜(JCPDS 80-0075)，表明實驗中制得的復合材料粉末包含了g-C3N4與ZnO兩相[16]。

3.2 透射電鏡(TEM)圖像及能譜分析

圖2為g-C3N4及g-C3N4/ZnO的透射電鏡圖像和g-C3N4/ZnO復合材料的能譜圖像。從g-C3N4的TEM圖(圖2(a))可以看出，本實驗制備的g-C3N4呈二維片層狀結構，具有較高的比表面積(BET Surface Area: 41.2877 m2/g)。從圖2(b) 可以看出，g-C3N4/ZnO復合材料以片層狀的g-C3N4納米片為基底，ZnO粒子附著于g-C3N4之上，圖2(c)的HRTEM圖顯示出清晰的晶格條紋，晶格間距0.259 nm和0.285 nm分別對應于ZnO的(002)和(100)晶面，與XRD檢測結果一致。圖2(d)表明復合材料中鋅元素和氧元素的質量百分數分別為37.4%和9.2%，進一步表明ZnO單體和g-C3N4單體成功復合。

圖2 (a)g-C3N4和(b)g-C3N4/ZnO復合材料(1∶1)的TEM圖及g-C3N4/ZnO 復合材料(1∶1)的(c)HRTEM圖和(d)能譜圖Fig.2 TEM images of (a) pure g-C3N4 and (b) g-C3N4/ZnO (1∶1), and (c) HRTEM and (d) EDS spectrum images of g-C3N4/ZnO (1∶1)

圖3 g-C3N4和g-C3N4/ZnO復合材料的FT-IR光譜Fig.3 FT-IR spectra of g-C3N4 and g-C3N4/ZnO composites

3.3 紅外光譜(FT-IR)分析

為進一步確認g-C3N4和g-C3N4/ZnO的結構，對其進行紅外光譜分析，如圖3。圖中1208～1637 cm-1處的吸收峰均表征三嗪環的骨架伸縮振動，815 cm-1處的吸收峰表征三嗪環的骨架彎曲振動，結果表明，以3-s-三嗪環為基本結構的g-C3N4在室溫下的表現最為穩定。3000～3500 cm-1位置處的吸收譜則可歸因于N-H鍵的振動，這是g-C3N4經氨水洗滌后，少量氨氣吸附于g-C3N4表面的結果[17]。對于g-C3N4/ZnO復合體而言，除了在上述位置出現吸收峰，復合材料在450～550 cm-1產生了新的吸收峰，這表明了Zn-O鍵的存在，說明ZnO和g-C3N4單體均存在于該復合材料中，與XRD和HRTEM的檢測結果是一致的。

3.4 紫外-可見漫反射吸收光譜(UV-Vis)分析

對不同成分配比的g-C3N4/ZnO復合材料進行紫外-可見吸收光譜分析，結果如圖4(a)所示。相比于純g-C3N4和純ZnO材料來說，復合材料的光譜響應發生紅移，則在同樣的光線照射下，有更大頻率范圍內的光可參與激發材料外層電子，從而在單位時間內產生更多的電子和空穴進行氧化還原反應，提升可見光的利用率，從而提高其光催化性能。

對材料的紫外-可見吸收圖譜數據進行處理，可計算得到后待測樣品的禁帶寬度。根據Tauc等[18]于1966年提出的理論，光子能量與材料的禁帶寬度符合公式(1)：

(ahυ)1/n=C(hυ-Eg)

(1)

圖4 g-C3N4和g-C3N4/ZnO復合材料的紫外-可見漫反射吸收光譜Fig.4 UV-Vis diffuse reflectance absorption spectra of g-C3N4 and g-C3N4/ZnO composites

式中，a為吸光系數；h為普朗克常數，υ為光子頻率；Eg表示材料的禁帶寬度；C為常數。n取決于半導體類型，g-C3N4材料為間接帶隙半導體，取值為2[19]。

圖5 g-C3N4和g-C3N4/ZnO復合材料的光致發光光譜Fig.5 PL spectra (excitation wavelength: 380 nm) of g-C3N4 and g-C3N4/ZnO composites

以光子能量(hυ)為橫坐標，(ahυ)1/2為縱坐標作圖，利用截線法將線性部分延長與橫軸相交，即可得到各個樣品的禁帶寬度，如圖4(b)所示。可以看出，純g- C3N4、ZnO及g- C3N4/ZnO質量比為1∶2、1∶1、3∶2的g-C3N4/ZnO復合材料的禁帶寬度依次為2.428 eV、3.072 eV、2.394 eV、2.305 eV、2.141 eV。其中，g-C3N4與ZnO質量比為3∶2的g-C3N4/ZnO復合材料禁帶寬度最小，光譜響應范圍最廣，其對于太陽光的利用率最為充足，因此該樣品表現最優的光催化性能。

3.5 光致發光光譜(PL)分析

對四種粉末進行熒光分析，結果如圖5。可見，g-C3N4單體的熒光強度最大，g-C3N4/ZnO(3∶2)的熒光強度最小。電子-空穴對的自動復合過程會發出熒光，熒光強度和電子-空穴復合率成正比，即熒光強度越低，電子-空穴對的復合率越小，也即單位時間內材料內部有更多具有還原性的電子和具有氧化性的空穴可作用于分解污染物，導致其宏觀上的催化效率提高。熒光分析結果表明，將ZnO與純的g-C3N4單體形成半導體異質結時，復合材料熒光強度都會不同程度地減弱，說明半導體復合形成的異質結可有助于抑制電子-空穴對的復合。由圖5可推測g-C3N4的單體的光催化活性最低，而g-C3N4與ZnO質量比為3∶2的g-C3N4/ZnO復合材料具有最優的光催化性能。

3.6 光催化效率評價

在可見光照射下樣品均對亞甲基藍產生不同程度的降解，其中g-C3N4單體可在120 min內降解59%的亞甲基藍，g-C3N4與ZnO質量比為1∶2、1∶1、3∶2的g-C3N4/ZnO復合材料在120 min內對亞甲基藍的降解率分別提升至為76%、81%和92%，四種材料在可見光下對亞甲基藍的降解曲線如圖6(a)所示，表明復合材料對亞甲基藍的降解率優于純的g-C3N4單體。

光催化降解的反應速率應和反應物濃度理論上應成一次線性關系，即滿足一級反應動力學方程：

-ln(C/C0)=kt

(2)

其中，C0表示溶液初始濃度；C表示反應一段時間后的溶液濃度；k表示動力學常數；t表示光催化反應時間。

圖6 g-C3N4和g-C3N4/ZnO復合材料的在可見光下對亞甲基藍的降解率曲線(a)及一級反應動力學方程擬合(b)Fig.6 The photocatalytic degradation rate curves (a) and first-kinetic of -ln(C/C0) versus time (b) for g-C3N4 and g-C3N4/ZnO composites

顯然，通過將-ln(C/C0) 和t經過數據擬合后可比較各光催化劑的催化速率。對上述四種催化劑的降解速率進行相應的數據處理，擬合得到其一級反應動力學速率，如圖6(b)所示。計算可得，純的g-C3N4材料的光催化降解速率為0.00668 min-1，g-C3N4與ZnO質量比為1∶2、1∶1、3∶2的g-C3N4/ZnO復合材料的降解速率分別提升至0.01128 min-1、0.01303 min-1和0.01861 min-1。其中質量比為3∶2的復合材料表現最為良好，其光催化降解速率是g-C3N4單體的2.8倍。

圖7 可見光下g-C3N4/ZnO 復合材料的光催化機理Fig.7 Mechanism of photocatalytic degradation of MB over g-C3N4/ZnO composites under visible light irradiation

3.7 光催化降解機理討論

由上述實驗可知，g-C3N4和ZnO的禁帶寬度分別約為2.428 eV、3.072 eV。半導體材料的價帶和導帶帶勢可由下列公式計算[20]：

EVB=X-Ee+0.5Eg

(3)

ECB=EVB-Eg

(4)

X為半導體的電負性值，g-C3N4和ZnO分別取值為4.72 eV和5.95 eV[21]。Ee為自由電子的能量，取值為4.5 eV；Eg為半導體的禁帶寬度。計算可得：g-C3N4的EVB和ECB分別為1.434 eV和-0.996 eV，ZnO的EVB和ECB分別為2.986 eV和-0.086 eV。

根據文獻資料推測復合材料可能的光催化機理如圖7所示：當可見光照射復合材料時，價帶自由電子吸收能量躍遷到導帶，同時在價帶上留下相同數目的空穴。由于g-C3N4的導帶帶勢比ZnO更負，所以產生的光生電子便從g-C3N4的導帶轉移到ZnO的導帶，而空穴則聚集在g-C3N4的價帶上，因此阻止了電子和空穴的復合。光生電子與吸附在催化劑表面的氧氣結合生成超氧自由基(·O2-)，同時空穴與水結合生成羥基自由基(·OH)，這些自由基具有很高的活性，與亞甲基藍發生氧化還原反應，將亞甲基藍分解成H2O和CO2等小分子。

4 結 論

以尿素及醋酸鋅為前驅體，通過水熱法制得多孔狀的g-C3N4/ZnO異質結復合光催化材料。復合材料中的g-C3N4與ZnO的質量比顯著影響g-C3N4的禁帶寬度，與純的g-C3N4相比，g-C3N4/ZnO復合材料具有更低的電子-空穴復合率和更廣泛的光譜響應范圍，從而顯著提高亞甲基藍的降解速率。其中，g-C3N4與ZnO的質量比為3∶2時的g-C3N4/ZnO復合材料具有最優的光催化性能，在120 min內可降解92%的亞甲基藍，光催化速率為純的g-C3N4的2.8倍。