類石墨相氮化碳的制備及光催化降解2,4,6-三氯苯酚的研究

李海 張文康 樊旅澤 程昊

摘 要：本文采用熱聚合法制備了類石墨相氮化碳（g-C3N4）光催化劑，利用X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）對光催化劑的結構和形貌進行了表征，通過2，4，6-三氯苯酚溶液的光催化降解評價光催化劑的光催化性能。研究結果表明，試驗成功地制備了類石墨相g-C3N4光催化劑，其具有較好的光催化性能。其中，以尿素為前驅體在590 ℃下煅燒2 h時，類石墨相g-C3N4光催化劑的光催化活性最好，可見光照射180 min，對2，4，6-三氯苯酚的降解率達到92.60%。

關鍵詞：類石墨相g-C3N4;光催化劑;降解;2，4，6-三氯苯酚;尿素

中圖分類號：TB33;O643.36 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0123-03

Abstract： In this paper， a graphite-like carbon nitride （g-C3N4） photocatalyst was prepared by thermal polymerization， the structure and morphology of the photocatalyst were characterized by X-ray diffraction （XRD） and scanning electron microscopy （SEM）， and the photocatalytic performance of the photocatalyst was evaluated by the photocatalytic degradation of 2，4，6-trichlorophenol solution. The research results showed that the experiment successfully prepared the graphite-like phase g-C3N4 photocatalyst， which had good photocatalytic performance. Among them， the graphite-like phase g-C3N4 photocatalyst had the best photocatalytic activity when calcined with urea as the precursor at 590 ℃ for 2 h， and the degradation rate of 2，4，6-trichlorophenol was reached after 180 min of visible light irradiation 92.60%.

Keywords： graphite-like phase g-C3N4;photocatalyst;degradation;2，4，6-trichlorophenol;urea

光催化降解技術是處理有機污染物的有效方法之一，一直備受科研工作者的關注[1]。光催化劑可以在光照條件下將有機物降解，是光催化降解技術的核心[2]。近年來，利用取之不盡、用之不竭的太陽光來降解有機污染物，引起了人們極大的興趣[3]。

石墨相氮化碳（g-C3N4）是一種典型的聚合物半導體，其不含金屬元素，由氮元素和碳元素組成，相比于氮化碳其他的同素異形體，制備簡單，具有良好的熱穩定性（600 ℃）以及化學穩定性（不溶于酸或堿），能產生可見光響應，引起科研工作者的廣泛關注[4]。自2009年Wang等將其運用于光催化水解制氫并取得突破性成果后，g-C3N4的光催化性能被科學家不斷發掘及利用[5]。人們可以采用熱聚合富氮前體的方法制備g-C3N4，常用的富氮前體有尿素、雙氰胺、三聚氰胺和硫脲等，前驅體的不同使得g-C3N4的最終形貌及光催化性能有所不同[6]。GE等人通過在550 ℃下煅燒氰胺得到g-C3N4納米片，在可見光下，其光催化性能尤為突出[7]。

本文以尿素和雙氰胺為前驅體，采用熱聚合法制備了類石墨相g-C3N4，利用X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）對光催化劑進行了表征，研究了可見光下類石墨相g-C3N4光催化降解2，4，6-三氯苯酚有機污染物的能力，并討論了其光催化機理。

1 試驗部分

1.1 試劑

尿素、雙氰胺、一水合檸檬酸、羅丹明B、2，4，6-三氯苯酚購自西隴化工股份有限公司;無水乙醇購自成都市科隆化學品有限公司;試驗用水為去離子水。

1.2 樣品的制備

將6.5 g尿素和雙氰胺在550 ℃下煅燒（升溫速率8 ℃/min） 2.0 h，研磨，得到C3N4。將2.627 g檸檬酸和3.000 g尿素溶于60 mL去離子水，攪拌10 min，轉移至50 mL三口燒瓶，在160 ℃下反應8 h，離心，用乙醇洗滌，在75 ℃下干燥，得到氮摻雜石墨烯量子點（N-GQDs）。將0.1 g C3N4加入10 mL去離子水中，攪拌10 min，超聲1 h，再加入N-GQDs，超聲5 min，攪拌24 h，在75 ℃下干燥，研磨，得到類石墨相氮化碳（g-C3N4）。

1.3 光降解性能測試

首先配制50 mg/L的羅丹明B溶液和2，4，6-三氯苯酚溶液備用，然后將0.05 g的N-GQDs/g-C3N4置于50 mL 50 mg/L 羅丹明B和2，4，6-三氯苯酚溶液中，在黑暗環境下攪拌30 min，以達到吸附-脫附平衡。以500 W氙燈為光源，光源距反應管20 cm，每隔30 min取一次樣，離心，取上層清液，用高效液相色譜測2，4，6-三氯苯酚的含量，評價類石墨相g-C3N4的光催化性能。根據式（1）計算降解率。

式中：[c0]為降解前2，4，6-三氯苯酚濃度;[ct]為降解[t]時間的2，4，6-三氯苯酚濃度;[α]為降解率。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

圖1是以尿素為前驅體、負載3%和5%的N-GQDs制備的類石墨相g-C3N4的XRD圖。由圖1可知，在13.1°和27.5°處出現的衍射峰分別對應g-C3N4的面與面間堆積的晶面和層與層間堆積的晶面的衍射峰，但是在22°處出現的衍射峰屬于N-GQDs吸收峰，證明成功制備了類石墨相g-C3N4[8-9]。

圖2是以雙氰胺為前驅體、負載3%和5%的N-GQDs制備的類石墨相g-C3N4的XRD圖。由圖2可知，在13.1°和27.5°處出現了衍射峰，但沒有其他峰出現，原因可能是N-GQDs的負載量較少[8]。

2.2 SEM分析

圖3是以尿素和雙氰胺為前驅體、負載N-GQDs制備的類石墨相g-C3N4的SEM圖。如圖3所示，以尿素為前驅體制備的類石墨相g-C3N4呈顆粒狀，而以雙氰胺為前驅體制備的類石墨相g-C3N4呈片狀結構，較為疏松。經分析，原因可能是在升溫過程中，尿素和雙氰胺的分散性有所提高，這樣制備的類石墨相g-C3N4具有更大的比表面積，有更好的光催化效果[9]。

2.3 光催化性能

圖4是2，4，6-三氯苯酚的標準曲線，由圖4可知，標準曲線方程為[y]=158 4.1[x]-1.240 9，[R2]=0.997 8，所以，標準曲線在濃度區間0.001～0.100 g/L的線性良好。

圖5和圖6是以尿素為前驅體在550 ℃和590 ℃下煅燒制備的類石墨相g-C3N4降解2，4，6-三氯苯酚溶液圖，由圖5可知，550 ℃時的降解率是90.92%，590 ℃時的降解率是92.60%。

圖7和圖8是以雙氰胺為前驅體在550 ℃和590 ℃下煅燒制備的類石墨相g-C3N4降解2，4，6-三氯苯酚溶液圖。由圖7可知，550 ℃時的降解率是85.40%，590 ℃時的降解率是87.00%。

由圖5至圖8可知，當前驅體一樣時，在590 ℃下催化劑的催化性能比550 ℃下的好，以尿素為前驅體制備的光催化劑比以雙氰胺為前驅體制備的光催化劑的催化性能好，并在光催化2 h時降解效率變小，只是變動很小。

3 結論

本研究采用熱聚合法成功制備了類石墨相g-C3N4光催化劑。類石墨相g-C3N4光催化劑具有較好的光催化活性，其中，以尿素為前驅體在590 ℃下煅燒制備的類石墨相g-C3N4光催化劑的光催化性能最好，可見光照射180 min，對2，4，6-三氯苯酚的降解率達到92.60%。

參考文獻：

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