一種二維納米片狀光催化劑的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種二維納米片狀光催化劑的制備方法。屬于新型納米功能材料與綠色能源技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光催化劑，也被稱為光觸媒，是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。光觸媒是利用自然界存在的光能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，來(lái)產(chǎn)生催化作用，使周圍之氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的自由負(fù)離子。幾乎可分解所有對(duì)人體和環(huán)境有害的有機(jī)物質(zhì)及部分無(wú)機(jī)物質(zhì)，不僅能加速反應(yīng)，亦能運(yùn)用自然界的定侓，不造成資源浪費(fèi)與附加污染形成。世界上能作為光觸媒的材料眾多，包括二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、二氧化鋯、硫化鎘等多種氧化物硫化物半導(dǎo)體，其中二氧化鈦(T12)因其氧化能力強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定無(wú)毒，成為世界上最當(dāng)紅的納米光觸媒材料。
[0003]然而，要充分發(fā)揮二氧化鈦的實(shí)際應(yīng)用水平，需要一方面通過(guò)調(diào)控其材料形貌以暴露更多高活性晶面來(lái)提高光催化活性，另一方面通過(guò)摻雜不同金屬或金屬氧化物調(diào)控光敏波長(zhǎng)向可見(jiàn)光范圍擴(kuò)展來(lái)提高太陽(yáng)光的利用率。因此，研發(fā)成本低、制備簡(jiǎn)單的高光催化活性的二氧化鈦光觸媒具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0004]根據(jù)目前的研究，由于片狀二氧化鈦納米材料能夠暴露更多的高指數(shù)晶面，具有更高的光催化活性，二氧化鈦納米片具有比納米粒子更好地應(yīng)用前景，對(duì)于二氧化鈦納米片的研究也備受關(guān)注。而單一的二氧化鈦納米材料的光敏波長(zhǎng)一般在紫外區(qū)，而且由于不容易分散而容易互相影響而降低光催化活性，不利于實(shí)際應(yīng)用。但是，在二氧化鈦納米材料上修飾或復(fù)合特殊的納米材料，可以有效提尚光生載流子對(duì)的有效濃度，提尚光電轉(zhuǎn)換效率，提高光催化活性。因此，設(shè)計(jì)、制備高效、穩(wěn)定的二氧化鈦納米片及其修飾物是制備二氧化鈦光觸媒的關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)貴金屬摻雜、成本低、制備簡(jiǎn)單、光催化活性高的光催化劑。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
1.一種二維納米片狀光催化劑的制備方法，所述的二維納米片狀光催化劑為錳摻雜二氧化鈦納米片原位復(fù)合氮化碳二維納米復(fù)合材料Mn-Ti02/g-C3N4，其特征在于，所述的Mn-Ti02/g_C3N4的制備步驟為:
首先，取0.8?1.2 mmol錳鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過(guò)程中，緩慢加入0.5?0.8mL氫氟酸，160?200 "€下在反應(yīng)爸中反應(yīng)18?24小時(shí)，冷卻至室溫后，用超純水和無(wú)水乙醇離心洗滌三次后，50°C下真空干燥;其次，取150?250 mg干燥后的固體與400mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為I?3 °C/min，在480?560°C下煅燒0.5?5小時(shí);最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得Mn-Ti02/g_C3N4 ； 所述的錳鹽選自下列之一:硫酸錳、氯化錳、硝酸錳。
[0007]本發(fā)明的有益成果
(1)本發(fā)明所述的光催化劑制備方法簡(jiǎn)單、快速，無(wú)貴金屬摻雜、成本低，具有市場(chǎng)發(fā)展前景；
(2)本發(fā)明首次制備了新型光敏材料Mn-Ti02/g-C3N4，由于錳在二氧化鈦納米片上的原位生長(zhǎng)而充分與二氧化鈦納米片接觸，利用錳的金屬表面等離子體作用，有效阻止了光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，極大地提高了光催化活性，由于金屬離子的作用，拓寬了光敏波長(zhǎng)地范圍，提高了太陽(yáng)光地利用效率，解決了二氧化鈦納米片雖然光催化效果好，但是在太陽(yáng)光照射下光催化效果差的技術(shù)問(wèn)題；同時(shí)由于氮化碳g_C3N4的負(fù)載特性和二氧化鈦納米片在其上的充分分散，極大地增大了二氧化鈦納米片的光催化活性和解決了二氧化鈦納米片不利于分散而降低光催化活性的技術(shù)問(wèn)題，因此，該材料的有效制備，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值；
(3)本發(fā)明制備的光催化劑Mn-Ti02/g-C3N4，該材料除了具有高效的光電轉(zhuǎn)化效率，而且自身的生物相容性好、大的比表面積、高的表面介孔吸附特性，可以作為基質(zhì)材料，制備各類傳感器，如光電化學(xué)傳感器、電致化學(xué)發(fā)光傳感器、電化學(xué)傳感器等，具有廣泛的潛在使用價(jià)值。
【具體實(shí)施方式】
[0008]實(shí)施例1 Mn-Ti02/g-C3N4 的制備
首先，取0.8 mmol錳鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過(guò)程中，緩慢加入0.5 mL氫氟酸，160 °C下在反應(yīng)釜中反應(yīng)24小時(shí)，冷卻至室溫后，用超純水和無(wú)水乙醇離心洗滌三次后，50 °C下真空干燥；其次，取150 mg干燥后的固體與400 mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為I V/min，在480°C下煅燒5小時(shí);最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得Mn-Ti02/g-C3N4;
所述的錳鹽為硫酸錳。
[0009]實(shí)施例2Mn-Ti02/g-C3N4 的制備
首先，取1.0 mmol錳鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過(guò)程中，緩慢加入0.6 mL氫氟酸，180 °C下在反應(yīng)釜中反應(yīng)21小時(shí)，冷卻至室溫后，用超純水和無(wú)水乙醇離心洗滌三次后，50 °C下真空干燥；其次，取200 mg干燥后的固體與400 mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為2 °C/min，在520°C下煅燒2小時(shí);最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得Mn-Ti02/g-C3N4;
所述的錳鹽為氯化錳。
[0010]實(shí)施例3Mn-TifVg-C3Nd^iJS
首先，取1.2 mmol錳鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過(guò)程中，緩慢加入0.8 mL氫氟酸，200 °C下在反應(yīng)釜中反應(yīng)18小時(shí)，冷卻至室溫后，用超純水和無(wú)水乙醇離心洗滌三次后，50 °C下真空干燥；其次，取250 mg干燥后的固體與400 mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為3 °C/min，在560°C下煅燒0.5小時(shí)?’最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得Mn-Ti02/g-C3N4;
所述的錳鹽為硝酸錳。
[0011]實(shí)施例4 Mn-Ti02/g-C3N4的光催化活性測(cè)試
以500 W鹵鎢燈為光源，距離光催化反應(yīng)器約10 cm，光源與反應(yīng)器之間置一濾光片，截掉波長(zhǎng)小于420 nm的光。將0.05 g實(shí)施例1制備的Mn-Ti02/g_C3N4加入到50 mL濃度為0.01 mmol/L的羅丹明B溶液中，超聲分散10 min，然后將料液置于暗室中攪拌0.5小時(shí)，確保樣品表面吸附達(dá)到吸附-脫附平衡后，在光照下攪拌進(jìn)行反應(yīng)。每隔30 min取樣，用孔徑0.45 μπι的濾膜過(guò)濾，用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定濾液在波長(zhǎng)為554 nm處的吸光度，根據(jù)溶液濃度與吸光度成正比計(jì)算不同反應(yīng)時(shí)間的羅丹明B溶液濃度和降解率，實(shí)驗(yàn)120 min后脫色率達(dá)到99.6%，說(shuō)明本發(fā)明所制備的此-1102/^-(:必4具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0012]實(shí)施例5 Mn-Ti02/g_C3N4的光催化活性測(cè)試
以500 W鹵鎢燈為光源，距離光催化反應(yīng)器約10 cm，光源與反應(yīng)器之間置一濾光片，截掉波長(zhǎng)小于420 nm的光。將0.05 g實(shí)施例2制備的Mn-Ti02/g_C3N4加入到50 mL濃度為0.01 mmol/L的羅丹明B溶液中，超聲分散10 min，然后將料液置于暗室中攪拌
0.5小時(shí)，確保樣品表面吸附達(dá)到吸附-脫附平衡后，在光照下攪拌進(jìn)行反應(yīng)。每隔30 min取樣，用孔徑0.45 μπι的濾膜過(guò)濾，用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定濾液在波長(zhǎng)為554 nm處的吸光度，根據(jù)溶液濃度與吸光度成正比計(jì)算不同反應(yīng)時(shí)間的羅丹明B溶液濃度和降解率，實(shí)驗(yàn)120 min后脫色率達(dá)到99.6%，說(shuō)明本發(fā)明所制備的此-1102/^-(:必4具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0013]實(shí)施例6 Mn-Ti02/g_C3N4的光催化活性測(cè)試
以500 W鹵鎢燈為光源，距離光催化反應(yīng)器約10 cm，光源與反應(yīng)器之間置一濾光片，截掉波長(zhǎng)小于420 nm的光。將0.05 g實(shí)施例3制備的Mn-Ti02/g_C3N4加入到50 mL濃度為0.01 mmol/L的羅丹明B溶液中，超聲分散10 min，然后將料液置于暗室中攪拌
0.5小時(shí)，確保樣品表面吸附達(dá)到吸附-脫附平衡后，在光照下攪拌進(jìn)行反應(yīng)。每隔30 min取樣，用孔徑0.45 μπι的濾膜過(guò)濾，用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定濾液在波長(zhǎng)為554 nm處的吸光度，根據(jù)溶液濃度與吸光度成正比計(jì)算不同反應(yīng)時(shí)間的羅丹明B溶液濃度和降解率，實(shí)驗(yàn)120 min后脫色率達(dá)到99.6%，說(shuō)明本發(fā)明所制備的此-1102/^-(:必4具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種二維納米片狀光催化劑的制備方法，所述的二維納米片狀光催化劑為錳摻雜二氧化鈦納米片原位復(fù)合氮化碳二維納米復(fù)合材料Mn-Ti02/g-C3N4，其特征在于，所述的Mn-Ti02/g-C3N4的制備步驟為: 首先，取0.8?1.2 mmol錳鹽加入到5 mL鈦酸四丁酯中，攪拌過(guò)程中，緩慢加入0.5?0.8mL氫氟酸，160?200 "€下在反應(yīng)爸中反應(yīng)18?24小時(shí)，冷卻至室溫后，用超純水和無(wú)水乙醇離心洗滌三次后，50°C下真空干燥;其次，取150?250 mg干燥后的固體與400mg三聚氰胺混合，并研磨成粉末;然后，將研磨的粉末放入馬弗爐中，升溫速度為I?3 °C/min，在480?560°C下煅燒0.5?5小時(shí);最后，將煅燒后的粉末冷卻至室溫，即制得Mn-Ti02/g-C3N4 ； 所述的錳鹽選自下列之一:硫酸錳、氯化錳、硝酸錳。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)貴金屬摻雜、成本低、制備簡(jiǎn)單、光催化活性高的光催化劑的制備方法。屬于新型納米功能材料與綠色能源技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所制備的二維納米片狀光催化劑為錳摻雜二氧化鈦納米片原位復(fù)合氮化碳二維納米復(fù)合材料Mn-TiO2/g-C3N4，具有良好的光催化活性。
【IPC分類】C02F1/30, C02F101/38, B01J27/24, B01J35/10
【公開(kāi)號(hào)】CN105642331
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】張勇, 魏琴, 胡麗華, 閆良國(guó), 孫旭
【申請(qǐng)人】濟(jì)南大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2016年2月25日