一种Na、K共掺杂的g-C3N5光催化剂的制备方法和应用
本发明涉及一种na、k共掺杂的g-c3n5光催化剂的制备方法和应用，属于复合光催化材料。
背景技术：
1、随着全球能源消费的迅速增长和环境破坏的加剧，环境污染越来越严重，绿色能源越来越受欢迎。过氧化氢(h2o2)由于其分解产物的环保、可再生和无毒特性，作为一种绿色能源在化工、废水净化和燃料电池等多个领域得到了广泛应用。传统的h2o2合成方法主要依赖于蒽醌工艺，由于废物积累、能源消耗增加和严格的反应要求等问题的困扰，限制了其可持续生产和生产。与蒽醌法相比，光催化双电子氧还原反应是一种更环保、更有效的生成h2o2的合成途径。在环境条件下，水和氧在半导体表面发生光催化反应，生成h2o2。
2、在这一领域，氮化石墨碳(g-c3n5)因其丰富的富电子位和碱性氮而受到广泛关注，特别是在g-c3n5三嗪单元中引入补充氮，扩展了其共轭结构，更高的热力学稳定性、更好的电子性能和更窄的能带。然而，纯g-c3n5仍面临着电子-空穴对离解缓慢、电荷转移动力学迟缓、氧还原能力低以及活性位点稀缺等种种缺点阻碍了纯g-c3n5光催化生产h2o2的能力。因此，纯g-c3n5在生成h2o2方面的光催化活性较弱。解决这些限制是优化利用g-c3n5材料光催化生产h2o2效率的必要条件。研究人员部署了一系列策略，包括异质结的形成、结构工程、元素掺杂、结晶性调控等。在这些方法中，超薄纳米片结构的构建已经表现为一种特别有效的方式。
3、为了解决上述问题，提高g-c3n5的光催化活性，本发明设计一类na、k共掺杂的少层超薄g-c3n5光自芬顿催化剂，通过掺杂与结晶性调控的方法对g-c3n5进行形貌、结构、尺寸上的优化，使其变得更薄、更小。na-k掺杂与结晶性调控的协同作用不仅能优化g-c3n5的电子结构和能带结构，使光催化剂具有较高的载流子分离效率，增加了g-c3n5表面活性位点的密度，引入了更高含氧量的官能团和极性羟基，而且可以提高orr的选择性，高效地产生h2o2，从而能实现催化剂的光自芬顿；同时有效的增加电子迁移率，从而可激活n→π*电子跃迁，从而有效提高g-c3n5的光自芬顿性能，短时间内高效降解抗生素，对于提高相关产品的附加值具有重要价值。
技术实现思路
1、为了解决现有g-c3n5材料存在的h2o2产率低的问题，本发明提供了一种na、k共掺杂的少层薄片g-c3n5光自芬顿催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
2、(1)将二氰二胺经马弗炉煅烧得到前驱体块状氮化碳(bcn)，将其研磨备用；
3、(2)将氮化碳(bcn)、氯化钠(nacl)和氯化钾(kcl)研磨混匀后，使其混合物在马弗炉中进行二次煅烧，所得产物为熔盐c3n5超薄纳米片；
4、(3)将所得熔盐c3n5超薄纳米片分散于纯水中加热搅拌，冷却后离心洗涤，去除多余的熔盐和其他离子，干燥过夜，即得到na-k共掺的少层薄片g-c3n5光自芬顿催化剂。
5、优选的，步骤(1)中所用二氰二胺质量为4.95～5.05g。
6、优选的，步骤(1)中所述马弗炉的煅烧温度为450～550℃，升温速率为8～12℃/min，煅烧时间为2～4h。
7、优选的，步骤(1)中所述研磨时间为10～20min。
8、优选的，步骤(2)中所述氮化碳(bcn)、氯化钠和氯化钾的质量比为(1.5～2.5):(4.5～5.5):(4.5～5.5)，研磨时间为30～50min。
9、优选的，步骤(2)中所述马弗炉的煅烧温度为400～500℃，升温速率为8～12℃/min，煅烧时间为3～5h。
10、优选的，步骤(3)中所述加热温度为80～120℃，转速为600～800r/min，加热时间5～12h。
11、优选的，步骤(3)中洗涤方式为分别用热蒸馏水和无水酒精进行彻底洗涤分离，在70～90℃下干燥过夜。
12、优选的，制备得到的na-k共掺杂的少层薄片g-c3n5光自芬顿催化剂在水中高效产h2o2的应用。
13、优选的，制备得到的na-k共掺杂的少层薄片g-c3n5光自芬顿催化剂在降解水中四环素(tc)的作用。
14、本发明的有益效果
15、(1)本发明通过掺杂与结晶性调控方法合成na-k共掺杂的少层薄片g-c3n5光自芬顿催化剂，na-k共掺杂使得g-c3n5具有更多的反应活性位点，可提高其光生电子利用率，为掺杂与结晶性调控协同作用下g-c3n5纳米片与金属/非金属掺杂的复合材料的制备与功能优化提供了新思路。
16、(2)本发明采用掺杂与结晶性调控法协同制备的g-c3n5光自芬顿催化剂，na-k共掺杂优化了g-c3n5纳米片的光学性质和表面结构，降低了电荷转移的电阻。
17、(3)本发明制备得到的na-k共掺杂的少层薄片g-c3n5光自芬顿催化剂具有更小的薄片和更少的层数伴随更多的离域电子，na-k共掺杂可以促进n→π*电子跃迁，有利于加速光生载流子的分离效率、迁移效率和提高电荷密度。
18、(4)na-k共掺杂可以抑制光致电子-空穴对的复合，增加了g-c3n5表面活性位点的密度，显著提高g-c3n5光自芬顿催化剂的光自芬顿性能。
19、(5)本发明中g-c3n5光自芬顿催化剂的na-k共掺杂可以有效调节g-c3n5对可见光的带隙，拓宽其吸收范围，从而具有较高的可见光吸收能力、光捕获能力增强和优异的的光催化能力。
20、(6)制备的na-k共掺杂的cnak光自芬顿催化剂提高了g-c3n5表面活性位点的密度，促进了氧化还原反应，具有良好的光催化活性，从而表明了na-k共掺杂提高了g-c3n5光催化生成h2o2的活性，其h2o2产率为122.15μmol g-1h-1，是纯g-c3n5(cnn)的11倍，是一次煅烧熔盐g-c3n5-na-k(bcak)催化剂的8-9倍。
21、(7)本发明的制备方法所需要的设备和材料易于获取，工艺操作简单，工艺条件简洁。
技术特征：
1.一种na、k共掺杂的g-c3n5光催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述na-k共掺杂的g-c3n5光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所用二氰二胺质量为4.95～5.05g。
3.根据权利要求1所述na-k共掺杂的g-c3n5光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述马弗炉的煅烧温度为450～550℃，升温速率为8～12℃/min，煅烧时间为2～4h。
4.根据权利要求1所述na-k共掺杂的g-c3n5光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述研磨时间为10～20min。
5.根据权利要求1所述na-k共掺杂的g-c3n5光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述氮化碳(bcn)、氯化钠和氯化钾的质量比为(1.5～2.5):(4.5～5.5):(4.5～5.5)，研磨时间为30～50min。
6.根据权利要求1所述na-k共掺杂的g-c3n5光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述马弗炉的煅烧温度为400～500℃，升温速率为8～12℃/min，煅烧时间为3～5h。
7.根据权利要求1所述na-k共掺杂的g-c3n5光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述加热温度为80～120℃，转速为600～800r/min，加热时间5～12h。
8.根据权利要求1所述na-k共掺杂的g-c3n5光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中洗涤方式为分别用热蒸馏水和无水酒精进行彻底洗涤分离，在70～90℃下干燥过夜。
9.权利要求1～8任一项方法制备得到的na-k共掺杂的少层薄片g-c3n5光自芬顿催化剂在水中产生过氧化氢应用。
10.权利要求1～8任一项方法制备得到的na-k共掺杂的少层薄片g-c3n5光自芬顿催化剂在降解水中四环素的作用。
技术总结
本发明公开了一种Na、K共掺杂的g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;5</subgt;光催化剂的制备方法和应用，属于复合光催化材料技术领域。包括：一、采用热缩聚法在马弗炉内将二氰二胺制备为块状g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;5</subgt;(BCN)；二、以BCN、氯化钾(KCl)和氯化钠(NaCl)为原料，采用掺杂与结晶性调控法制备Na‑K共掺杂的少层薄片g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;5</subgt;(CNAK)光自芬顿催化剂；三、高效的光催化产H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;以及构建光自芬顿体系实现对新污染物的高效降解和矿化。本发明制得的CNAK光自芬顿催化剂能实现Na‑K掺杂、结晶性调控以及形貌调控，制备过程安全、简便、高效，解决了g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;5</subgt;光催化剂H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;产量低的问题，成功构建光自芬顿降解体系，并在降解抗生素过程表现出优异的光芬顿性能和较好的稳定性，不产生二次污染，具有优异的环境效益。
技术研发人员：杨贵,龙娟,巫阳,展巨宏,何欢,黄斌,潘学军
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5