[发明专利]一种非金属掺杂多孔氮化碳光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化技术，涉及采用模板法制备非金属掺杂多孔氮化碳，选择酚醛树脂球作为模板，在合成多孔氮化碳的过程中同步掺杂非金属元素(如N、P、S、F等)，在惰性气氛下经过热聚后，将得到的产物再于空气中煅烧，最终制备得到非金属掺杂多孔氮化碳光催化剂。本发明所制备的非金属掺杂多孔氮化碳光催化剂，由于非金属元素的掺杂，减小了氮化碳光催化剂的禁带宽度，增强了对可见光的吸收，同时具有较大比表面积，活性位点增多，能够与有机污染物充分接触，从而显著提高氮化碳光催化剂的光催化活性。

背景技术

科学技术的日新月异，为人类社会带来了巨大的物质财富，同时伴随而来的还有能源危机和环境污染这类重大问题，而环境污染问题中亟待解决的是如何处理废水，废水中的污染物大部分为有机物，如何高效环保地降解废水中的有机物一直是困扰人类的问题。光催化技术通过光解水制氢得到清洁的氢能；同时也可以利用太阳能产生具有高反应活性的自由基和空穴来降解矿化环境中各类污染物的新兴技术。光催化技术降解法具有操作简单、对有机污染物没有选择性、反应条件温和、反应速度较快、能够完全降解矿化污染物和节能环保等优点。因此，光催化技术在开发新能源和修复生态环境领域具有广阔的应用前景。

近年来，类石墨相氮化碳作为一种新型高效光催化剂，其原料价格便宜、性质稳定、对人体无毒并且易于改性，因此成为光催化领域重点研究方向，也引起了人们对石墨相氮化碳的合成及理论计算设计进行了大量的研究。虽然g-C₃N₄光催化活性及稳定性等优良，但也存在一些不足之处：比表面积较小；带隙宽度相对较大；对可见光响应的范围较窄。以上瑕疵严重制约了g-C₃N₄的广泛应用。为改变这一情况，国内外科研人员对改性提高g-C₃N₄的光催化活性进行了大量研究，主要分为以下三个方向：提高g-C₃N₄的比表面积；将g-C₃N₄与半导体光催化剂进行复合形成异质结复合光催化剂；通过掺杂等手段缩小g-C₃N₄的带隙宽度.从而进一步拓展g-C₃N₄在环境和能源领域的应用。

介孔石墨相氮化碳由于其特殊的孔道结构具有较大的比表面积，可使催化剂的反应活性位点增多，有利于光生电子与空穴迁移至催化剂表面参与反应，提高g-C₃N₄光催化性能。硬模板法可以利用SiO₂作为模板剂，制备出一系列的高比表面积的氮化碳，但在刻蚀去除SiO₂硬模板的过程中，使用剧毒HF或NH₄HF₂，不仅步骤繁琐，且对实验人员有较大危险性。而在本发明中选择了酚醛树脂球作为模板，制备出的非金属掺杂多孔氮化碳，可通过在氮化碳热聚合过程中同步去除，相比传统模板法，具有无毒、模板脱出简单方便且对孔结构影响较小的优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非金属掺杂多孔氮化碳光催化剂及其制备方法，该方法工艺简单高效、操作安全，制备的非金属掺杂多孔氮化碳光催化剂催化活性高。

本发明提供一种非金属掺杂多孔氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：选择酚醛树脂球作为模板，在合成多孔氮化碳的过程中同步掺杂非金属元素(如N、P、S、F等)，在惰性气氛下经过热聚后，将得到的产物再于空气中煅烧，最终制备得到非金属掺杂多孔氮化碳光催化剂。非金属元素的掺杂减小了氮化碳光催化剂的禁带宽度，增强了对可见光的吸收，同时具有较大比表面积，活性位点增多，能够与有机污染物充分接触，从而显著提高氮化碳光催化剂的光催化活性。其制备包括如下步骤：

(1)制备模板酚醛树脂球：将一定量的苯酚、甲醛水溶液(37wt％)、0.1M NaOH溶液混合，60～90℃下搅拌0.5～1h，合成分子量较低的酚醛树脂。Pluronic F127溶于15mL水后加入并搅拌2～4h。再加入50mL水稀释并进一步搅拌6～18h，直到产生沉淀物时停止反应，将一定量溶液转至100mL高压釜中加水稀释，100～150℃下加热5～10h。产物通过离心、水洗收集，命名为RF；