C3N4催化劑的制備及光催化性能研究

范紅艷

（運城護理職業學院，山西 運城 044000）

引 言

能源是人類生活和社會發展的重要物質基礎。隨著經濟全球化進程的加快，能源危機也在加劇。我國正處在工業化過程中，經濟社會發展對能源的依賴比發達國家大得多。高速增長的經濟，離不開大量的能源消耗。大量的CO2、SO2、NOx及粉塵排放在空氣中，造成了酸雨、溫室效應、臭氧層破壞等嚴重的環境污染。為了緩解人類能源危機，太陽能作為一種清潔、可持續能源，必將成為能源主流［1-2］。

2009 年，C3N4催化劑首次應用于光催化領域［3］，通過直接利用太陽光來催化一系列重要的化學反應，能直接降解污染物，給新能源的發展帶來了強大的動力與希望［4-6］。C3N4作為可見光光催化劑，在光解水制氫氣［7］、降解有機物［8］及有機合成［9］等方面受到了人們的普遍關注。而且，在半導體光催化材料中摻雜少量金屬，可以改變材料的電子結構，提高其光催化性能［10-11］。

本文采用煅燒法制備C3N4催化劑，再利用沉淀法制備AgBr/C3N4，以甲基橙（MO）為模擬污染物，對所制備樣品的光催化降解染料污染物的性能進行了研究。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

試劑：尿素、甲基橙、KBr、AgNO3、無水乙醇等藥品均為市售分析純試劑，直接使用；水為二次蒸餾水。

儀器：電子分析天平、馬弗爐、電熱恒溫干燥箱、超聲波清洗機、臺式離心機、紫外-可見分光光度計（UV-1 800，日本島津公司）、磁力攪拌器（上海）、D/max-2500X射線衍射儀（日本理學公司生產）等。

1.2 光催化劑的制備

1.2.1 C3N4光催化劑的制備

稱取10g尿素，研細后放入瓷坩堝中，蓋上蓋子，在馬弗爐中于一定溫度下煅燒一定時間，反應停止后自然冷卻至室溫，研磨，即可得淡黃色的C3N4光催化劑［12-13］。

1.2.2 AgBr/C3N4光催化劑的制備

將1.2.1制得的0.1g C3N4光催化劑加入到30mL蒸餾水中，并超聲分散30min，使其分散均勻；攪拌狀態下，將一定量的AgNO3粉末加入到上述溶液中，在室溫下繼續攪拌30min；將相應量的KBr（1mol/L）溶液逐滴滴加到溶液中；所得渾濁液繼續攪拌1h，經離心分離后用蒸餾水及無水乙醇各洗滌3次，產物于70℃烘12h，得到AgBr/C3N4光催化劑。為了進行對比說明，利用上述方法制備了純 AgBr［4，14］。

1.3 催化劑的評價

染料廢水是難降解的工業廢水之一，在酸性和堿性條件下，醌式和偶氮結構是染料化合物的主體結構。因此，為了評價所合成的催化劑的光催化性能，使用甲基橙溶液為模擬污染物進行光催化降解實驗，對于研究染料化合物的降解具有代表性［15］。取0.05g催化劑放入100mL初始質量濃度為15mg/L的甲基橙水溶液中，以500W氙燈作為可見光源進行光降解實驗，采用紫外-可見分光光度計測定甲基橙在最大吸收波長處（λ＝464nm）的吸光度A。根據式（1）確定甲基橙的降解狀況［15］。

式中：C0和C分別為甲基橙的初始濃度和降解時間為t時的濃度。

2 結果與討論

2.1 C3N4催化劑制備條件的確定及表征

2.1.1 煅燒溫度的確定

為了確定煅燒溫度對C3N4催化劑光催化活性的影響，我們將尿素在馬弗爐中于不同溫度下進行了煅燒，煅燒溫度分別為500、525、550、575、600℃，煅燒時間為2h，并以甲基橙為降解對象來考察C3N4的光催化能力。如圖1所示。由圖1可知，煅燒溫度為575℃時，光催化活性最高，其原因可能是在不同溫度下煅燒直接影響催化劑的結晶結構所致。所以，最佳煅燒溫度確定為575℃。

圖1 煅燒溫度對C3N4光催化活性的影響

2.1.2 煅燒時間的確定

為了確定煅燒時間對C3N4催化劑光催化活性的影響，我們將尿素在馬弗爐中進行煅燒，煅燒時間分別為 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0h，煅燒溫度為575℃。所制備C3N4催化劑對甲基橙的降解情況如圖2所示。由圖2可知，C3N4在575℃下煅燒2.0h的光催化活性最好。因此，確定最佳煅燒時間為2.0h。

圖2 煅燒時間對C3N4光催化活性的影響

2.1.3 XRD表征

X射線衍射儀是利用衍射原理定性分析物質內部微觀結構的一種分析儀器。本實驗采用日本理學公司生產的D/max-2500X射線衍射儀對純催化劑內部結構進行了分析。XRD圖譜見圖3。經與標準圖譜進行對比可知，位于27.2°的衍射峰為C3N4的特征峰，且峰形尖銳，說明所制備物質為C3N4催化劑，且催化劑晶化完整。

圖3 C3 N4催化劑的XRD圖譜

2.2 AgBr/C3N4復合催化劑的條件確定及XRD表征

2.2.1 AgNO3加入量的確定

為了考察AgNO3的加入量對AgBr/C3N4復合光催化劑活性的影響，我們在體系中分別加入了4.7、2.4、1.0、0.7gAgNO3，并用所制備催化劑對甲基橙進行了降解，其結果如圖4所示。由圖4可知，分別加入0.7g和4.7g AgNO3粉末時，AgBr/C3N4光催化劑的光催化活性很高。

圖4 AgNO3含量對AgBr/C3N4光催化活性的影響

2.2.2 XRD表征

為了確定催化劑的組成，我們對催化劑進行了XRD表征，其結果如圖5所示。由圖5可看出，在衍射峰為27.2°處出現了C3N4衍射峰，說明C3N4成功與AgBr復合。

圖5 AgBr/C3N4復合催化劑的XRD表征

2.3 與其他過程的比較

2.3.1 與空白實驗的比較

為了研究AgBr/C3N4復合光催化活性較高的原因，本實驗將AgBr/C3N4的光催化活性同催化劑的吸附過程（只加催化劑不加光）、光降解過程（只加光不加催化劑）降解甲基橙的實驗進行了比較。

1）光降解過程。取100mL的甲基橙，不加入催化劑，只在氙燈照射下考察甲基橙的降解效果。降解條件：t＝120min，m＝0.05g，V＝100mL，C0＝15mg/L。

2）吸附過程。取0.05g的催化劑加入到甲基橙溶液當中，不開氙燈，考察AgBr/C3N4復合催化劑的吸附性，結果如圖6所示。由圖6可知，甲基橙自身基本不降解，且催化劑自身的吸附作用也不明顯。由此可知，甲基橙的降解完全是由AgBr/C3N4復合催化劑的光催化作用所致。

圖6 AgBr/C3N4復合催化劑與空白實驗的比較

2.3.2 與純AgBr和純C3N4的比較

為了考察C3N4與AgBr復合后的光催化活性有無提高，在與制備AgBr/C3N4復合催化劑相同的條件下，制取了2組空白的對照實驗——純AgBr和純C3N4，并在可見光的條件下對它們的催化性能進行了相同考察，結果如圖7所示。由圖7可知，復合后的光催化劑AgBr/C3N4對MO的降解率明顯高于純AgBr和純C3N4。其原因可能是，2種催化劑復合之后，它們之間起到了協同作用，使AgBr/C3N4復合催化劑具有較好的催化活性。

圖7 AgBr、C3N4、復合催化劑的光催化活性

3 結論

通過煅燒法制備C3N4催化劑，溫度575℃下煅燒2h，在對甲基橙光催化降解實驗中表現出最好的效果，活性最好。再利用沉淀法制備AgBr/C3N4，光催化降解甲基橙的實驗表明，AgBr的引入顯著提高了C3N4的光催化活性。本方法制備的C3N4催化劑、AgBr/C3N4復合催化劑，具有成本較低、方法簡單、催化效率高等優點，在有機污染物的光催化處理方面有廣闊的應用前景［15］。

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