g-C3N4/TiO2復合光催化劑的制備及其光催化性能

卜義夫，單 譯，劉思樂，張延祥，王思祺，萬帥龍

（沈陽科技學院化學工程系，遼寧 沈陽 110167）

印染廢水具有水量大、色度大、堿性高等特點，含有助劑、染料、糊料、無機鹽等多種成分。這給印染廢水的處理帶來了許多困難，目前常見的印染廢水處理方法有：混凝法［1］、光催化氧化法［2-3］、膜分離法［4-5］等，其中光催化氧化法具有工藝流程簡單、處理徹底等優點，備受國內外科研人員的關注。光催化氧化法的核心是光催化劑，TiO2是目前最常見的催化劑，TiO2的改性也備受研究者矚目，常見的改性方法有摻雜金屬或非金屬。秦蓮等［6］通過水熱法制備氮摻雜花狀黑色TiO2，研究其對甲基橙溶液的光催化降解性能。陳志力等［7］制備了TiO2/改性膨潤土，并研究其對羅丹明B 的吸附-光催化降解協同去除，結果表明：其對羅丹明B 的降解率達到了91.82%。Moslah等［8］通過低溫水解法制備W-TiO2催化劑，并研究其對亞甲基藍溶液的光催化降解。本實驗通過煅燒法將g-C3N4摻雜到TiO2中，制備g-C3N4/TiO2復合光催化劑，研究其對羅丹明B（RhB）的光催化降解和循環使用性能，并對g-C3N4/TiO2復合光催化劑光催化降解羅丹明B 溶液的機理進行了探討。

1 實驗

1.1 藥品與儀器

藥品：三聚氰胺、二氧化鈦、羅丹明B（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

儀器：JLG 型真空管式爐（上海聚勒實業發展有限公司），Teneo 型掃描電鏡（美國FEI 公司），D2 型X射線衍射儀（德國Bruker 公司），UV-2600 型紫外-可見分光光度計（日本島津公司），TD5Z型離心機（鹽城市凱特實驗儀器有限公司），Tundra 型透射電鏡（荷蘭Thermo Scientific 公司）。

1.2 g-C3N4及g-C3N4/TiO2的制備

采用直接熱聚合法制備g-C3N4。稱取10 g 三聚氰胺倒入蓋有蓋的氧化鋁坩堝中，放入真空管式爐中，530 ℃煅燒4.5 h，冷卻至室溫取出，制得淡黃色的g-C3N4。

采用煅燒法制備g-C3N4/TiO2復合光催化劑。具體流程如下：將TiO2和g-C3N4分別以1∶1、1∶3、1∶5 的質量比投入氧化鋁坩堝中，放入真空管式爐中，450 ℃煅燒4.5 h，冷卻至室溫取出，研磨，制得g-C3N4/TiO2復合光催化劑。具體流程如下：

1.3 光催化降解實驗

將不同質量的g-C3N4/TiO2加入1.0 L 羅丹明B 溶液中，將反應裝置放在暗處反應30 min，使其達到吸附-脫附平衡；然后移入光反應器中，打開氙燈，加裝濾光片濾除紫外線，每隔一段時間取樣一次，離心后取上層清液，使用紫外-可見分光光度計測定其最大吸收波長處的吸光度。

1.4 測試

掃描電鏡（SEM）：使用掃描電鏡對g-C3N4/TiO2復合光催化劑的形貌進行表征。

透射電鏡（TEM）：使用透射電鏡對g-C3N4/TiO2復合光催化劑的形貌進行表征。

X 射線衍射（XRD）：使用X 射線衍射儀對TiO2、g-C3N4以及g-C3N4/TiO2復合光催化劑的晶體結構進行表征。儀器參數設置為：KαCu 靶、工作電流40 mA、電壓40 kV、掃描范圍2θ=10°～80°。

降解率：光催化降解率R的計算式如下：

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

2 結果與討論

2.1 形貌分析

由圖1a 可以看出，TiO2均勻分布在片狀的g-C3N4上。由圖1b 可以看出，具有晶格結構的TiO2分布在g-C3N4的表面，這有利于提高g-C3N4/TiO2復合光催化劑的比表面積，同時有利于異質結的形成，這都提高了g-C3N4/TiO2復合光催化劑的光催化降解性能。

2.2 結構分析

由圖2 可知，TiO2在2θ=25.2°、38.2°、48.2°等處出現了特征衍射峰，對應銳鈦礦型TiO2的晶面，說明使用的商品化TiO2為銳鈦礦型；g-C3N4在2θ=14.7°、27.5°處出現了特征衍射峰；g-C3N4/TiO2復合光催化劑在2θ=25.2°、27.5°、38.2°等處出現了特征衍射峰，g-C3N4/TiO2復合光催化劑同時具有TiO2和g-C3N4的晶面，這說明成功制得了g-C3N4/TiO2復合光催化劑。

2.3 光催化降解性能分析

由圖3 可知，與TiO2、g-C3N4相比，g-C3N4/TiO2復合光催化劑對羅丹明B 溶液的光催化降解率得到了顯著的提升，且隨著g-C3N4與TiO2質量比的不同而變化。隨著g-C3N4與TiO2的質量比逐漸增大，g-C3N4/TiO2復合光催化劑對羅丹明B 溶液的光催化降解率逐漸升高，當g-C3N4與TiO2的質量比為5∶1 時，對羅丹明B 溶液的光催化降解率達到最大（98.7%）。

2.4 循環使用性能分析

由圖4 可以看出，隨著g-C3N4/TiO2復合光催化劑循環使用次數的增加，其對羅丹明B 溶液的光催化降解率逐漸降低，循環使用5 次后，g-C3N4/TiO2復合光催化劑對羅丹明B 溶液的光催化降解率仍然達到79.6%。這對g-C3N4/TiO2復合光催化劑在實際中的應用具有重要意義。

2.5 光催化降解機理分析

如圖5 所示，當g-C3N4/TiO2復合光催化劑吸收到的能量大于或等于其本身禁帶寬度的光子（hν）時，hν 分離生成光生空穴（h+）和光生電子（e-），e-從g-C3N4/TiO2復合光催化劑的價帶（VB）遷移到其導帶（CB）上，h+并未發生躍遷，h+與H2O 反應生成·OH 和H+，e-與O2反應生成·，RhB 分子與·OH 或·反應被分解為CO2和H2O。

3 結論

以商品化TiO2和g-C3N4為前驅體通過煅燒法制備g-C3N4/TiO2復合光催化劑。所制備的g-C3N4/TiO2復合光催化劑對羅丹明B 溶液具有良好的光催化降解能力，與單一的TiO2和g-C3N4相比，光催化降解能力顯著升高；當g-C3N4和TiO2的質量比為5∶1 時，g-C3N4/TiO2復合光催化劑對羅丹明B 溶液光催化降解率為98.7%；g-C3N4/TiO2復合光催化劑循環使用5 次后仍具有良好的光催化降解能力。