[发明专利]一种g-C3

说明书

本发明属于有机污水处理用光催化剂技术领域，更具体地，涉及一种g‑C₃N₄/TiO₂/RGO三维Z型光催化剂及其原位电纺制备方法。该制备方法包括：将尿素加入到N,N‑二甲基甲酰胺中溶解得到溶液，加入氧化石墨烯，超声分散，再将乙醇、聚乙烯吡咯烷酮、冰醋酸和钛酸四丁酯的混合溶液加入到上述溶液中，磁力搅拌后得到氧化石墨烯均匀分散的纺丝溶液；将纺丝溶液经高压静电纺丝后得到纺丝膜材料，将纺丝膜材料煅烧后得到g‑C₃N₄/TiO₂/RGO三维Z型光催化剂。本发明工艺简单，制备得到的三元光催化剂形成了紧密的相界面异质结，引入少量的石墨烯即可大大提高光催化剂的催化性能。

技术领域

本发明属于有机污水处理用光催化剂技术领域，更具体地，涉及一种 g-C₃N₄/TiO₂/RGO三维Z型光催化剂及其原位电纺制备方法。

背景技术

太阳能光催化技术在有效处理环境污水中广泛应用。Z型光催化剂体系具有较强的氧化还原能力，可以同时满足降低半导体的带隙且使导带更负，价带更正，有效拓宽光生电子–空穴空间距离，抑制其复合，大大提高了光催化剂的催化性能，因此，构筑直接的Z型光催化体系已成为光催化领域的研究热点之一。TiO₂具有较好的光催化性能和良好的化学稳定性，但其禁带较宽，只能被太阳光中约占4％的紫外光激发，对太阳光中约占50％的可见光不响应且光生电子-空穴易复合。g-C₃N₄是非金属光催化剂，具有较好的光催化活性，可见光吸收非常强，但比表面积较小，光生电子-空穴易复合。还原氧化石墨烯(RGO)具有大的比表面积和优异的传输载流子能力，可显著提高光催化剂的比表面积，同时降低电子空穴复合效率，从而在一定程度上可改善光催化剂的催化性能。大量研究证实TiO₂/g–C₃N₄/RGO三元异质结的光催化性能明显优于单组份TiO₂、g–C₃N₄和二元TiO₂/g–C₃N₄光催化剂，Zhang等人(Sep.Purif.Technol.,2018,194,96–103)通过水热法、冷冻干燥等工艺制备了g-C₃N₄和TiO₂共掺杂的三维石墨烯气凝胶，第一步将三聚氰胺在马弗炉中加热至550℃保温1h；第二步通过Hummers方法制备石墨烯；第三步将g-C₃N₄加入石墨烯的乙醇/水混合液中，超声1h，然后滴加钛酸四丁酯并超声1h，混合物在水热反应釜中180℃反应24h；第四步水热处理得到的块状物进一步在10％的氨水溶液中水热处理120℃反应3h；第五步冷冻干燥工艺处理第四步的复合物即得到了g-C₃N₄和TiO₂共掺杂的三维石墨烯气凝胶。Wu等人(Appl.Surf.Sci.,2017,405,60-70)通过液相沉淀法合成了Z型g-C₃N₄-RGO-TiO₂纳米异质结，第一步尿素在半封闭坩埚中以10℃/min升温至550℃马弗炉煅烧4h得到g-C₃N₄，然后放于6mol/L 的盐酸溶液中搅拌10h，收集、干燥、研磨、洗涤至中性，干燥备用；第二步通过Hummers方法制备石墨烯；第三步制备过氧钛酸，先将硫酸氧钛溶解在水中，加入氨水形成白色沉淀[Ti(OH)₄]^-，洗涤至中性去除NH₄⁺和SO₄^-，然后将沉淀放入30％的双氧水中，磁力搅拌即可得到过氧钛酸；第四步将石墨烯GO、g-C₃N₄、过氧钛酸超声分散水中130℃回流13h；第五步样品干燥后在氮气气氛保护下2.3℃/min升温至500℃煅烧2h得到 g-C₃N₄-RGO-TiO₂三元催化剂。Hafeez等人(Int.J.Hydrogen Energy,2018,43, 3892–3904)通过超声辅助的湿法浸渍法制备了g-C₃N₄-TiO₂/rGO三元催化剂，第一步通过Hummers方法制备石墨烯；第二步将三聚氰胺在马弗炉中加热至500℃保温2h得到g-C₃N₄；第三步通过水解和凝胶作用合成TiO₂纳米粒子，异丙醇钛和钛酸四丁酯缓慢加入pH为3的硝酸水溶液中，激烈搅拌3h，70℃加热20h，得到的产物洗涤后70℃干燥20h，再550℃煅烧 2h得到TiO₂纳米粒子；第四步石墨烯溶液加入到乙醇中，在加入TiO₂纳米粒子，再加入g-C₃N₄加热蒸发所有的水，样品60℃干燥12h，在400℃煅烧1h得到g-C₃N₄-TiO₂/rGO三元催化剂。中国专利申请CN105536840A 公开了一种石墨烯纳米带负载半导体的三维光催化材料的制备方法，该方法具体包括如下步骤，第一步三聚氰胺在氮气气氛中500℃煅烧3h制得；第二步以高成本的多壁碳纳米管为原料制备石墨烯纳米带；第三步将二氧化钛前驱体溶解于过氧化氢与氨水的混合溶液中，加入第一步制备的氮化碳，待溶液浑浊后，离心洗净，再加入第二步制备的石墨烯纳米带搅拌后转移到反应釜中，140-180℃反应16-24h；第四步离心、洗净、烘干处理，于N₂氛围下，400-600℃煅烧2-5h，即得到石墨烯纳米带负载半导体三维光催化材料。但现有相关制备g-C₃N₄/TiO₂/RGO三元光催化剂的报道制备步骤非常复杂、制备非常耗时，而且制备时某些组分不是原位生成的，不利于异质结的形成，缺少简易且原位构筑具有高光催化性能的Z型 g-C₃N₄/TiO₂/RGO三元异质结的方法。