CuO/g-C3N4復合光催化劑光催化降解甲基橙

毛 娜

(渭南師范學院，陜西 渭南 714099)

環境保護與催化

CuO/g-C3N4復合光催化劑光催化降解甲基橙

毛 娜

(渭南師范學院，陜西 渭南 714099)

選用Cu(NO3)2和g-C3N4為原料，將兩種原料溶解，蒸發，500 ℃焙燒制得CuO/g-C3N4復合光催化劑，在太陽光下催化降解甲基橙。結果表明，通過正交實驗得到最佳反應條件為:甲基橙溶液pH=3.8，溫度(15～25) ℃，CuO與g-C3N4質量比3∶10，催化劑用量10 mg，反應時間3 h，甲基橙最大降解率為64.6%。

催化化學;CuO /g-C3N4復合光催化劑；甲基橙；降解

光催化技術[1]可利用太陽光對水和空氣中的多種污染物進行降解,符合可持續發展的要求。光催化法能將許多生物難降解的有機污染物分解為二氧化碳、水和無機物[2]。甲基橙是較難降解的有機染料,在堿性和酸性條件下的主體結構式分別呈偶氮和醌式結構,以甲基橙溶液進行光催化分解作為模型反應,通過光譜學技術探究甲基橙光催化降解的有關機理[3]。

具有光催化作用的g-C3N4對染料等污染物有降解作用，無毒、耐光腐蝕、光活性強、穩定性好和不產生二次污染，且經濟實惠，原料來源較廣。在適宜條件下，可降解水中難降解的污染物為二氧化碳和水等。g-C3N4可用于光解水制氫[4]、環境光催化[5]和聚合物制備[6]等。目前，光照-芬頓法[7-8]催化分解水催化劑，如處理染料廢水主要利用紫外線輻射，而使用可見光或太陽光代替紫外線將大大降低成本且提高降解率，具有現實意義。

本文選用Cu(NO3)2和g-C3N4為原料，通過溶解攪拌、蒸發和焙燒制得CuO/g-C3N4復合光催化劑，研究其在太陽光下催化降解甲基橙性能。

1 實驗部分

1.1 g-C3N4/CuO復合光催化劑的制備

[9]，將0.1 g的C3N4分別與0.01 g、0.02 g、0.03 g、0.04 g、0.05 g和0.06 g的Cu(NO3)2溶解于20 mL去離子水，用磁力加熱攪拌器攪拌，反應(5～6) h后進行蒸發、結晶,得到晶體粉末，高溫焙燒，得到6種不同含量的g-C3N4/CuO復合光催化劑，編號為①～⑥。

1.2 實驗方法

將適量的g-C3N4/CuO復合光催化劑加入濃度為10 mg·L-1甲基橙溶液中，光催化實驗在水浴恒溫攪拌下進行，采用722型光柵分光光度計在波長465 nm處測定吸光度，甲基橙降解率按下式計算：

式中，A0和A分別為降解前后甲基橙溶液的吸光度。

2 結果與討論

2.1 復合光催化劑催化降解甲基橙

制備10 mg·L-1的甲基橙溶液，測得其吸光度為0.670，稱取g-C3N4/CuO復合光催化劑樣品①～⑥各15 mg分別置于容量瓶，并各加入35 mL甲基橙溶液，攪拌，每隔1 h測定吸光度，結果如表1所示。

表 1 不同催化劑上降解甲基橙的吸光度

由表1數據計算得知，③號樣品的甲基橙降解率最大，選擇③號樣品為最佳光催化劑進行后續實驗,其CuO與g-C3N4質量比3∶10。

反應時間對甲基橙降解率的影響如圖1所示。

圖 1 反應時間對甲基橙降解率的影響Figure 1 Effects of reaction time on degradation rate of methyl orange

由圖1可以看出，隨著反應時間增加，甲基橙降解率呈先升后降的趨勢，反應時間3 h時，甲基橙降解率最大，最佳反應時間為3 h。

2.2 pH值

實驗采用0.1 mol·L-1的HCl調節溶液pH值，量取7份甲基橙溶液35 mL，調節pH值，分別加入③號光催化劑10 mg，反應3 h,考察pH值對甲基橙降解率的影響，結果見表2。

表 2 pH值對甲基橙降解率的影響

由表2可以看出，pH=3.8時，甲基橙降解效果最佳，繼續提高pH值，甲基橙降解率下降，表明甲基橙在較強酸性條件下降解率最好。

2.3 溫度對降解甲基橙的影響

稱取6份③號光催化劑10 mg，加入甲基橙溶液35 mL，恒溫反應3 h，不同溫度下降解甲基橙，結果如表3所示。

表 3 溫度對甲基橙降解率的影響

由表2可見，隨著溫度增加，甲基橙降解率先升后降，(15～25) ℃時，甲基橙降解率較高。

2.4 光催化劑用量

稱取5份③號光催化劑，分別加至35 mL甲基橙溶液，反應時間3 h，考察催化劑用量對甲基橙降解率的影響，結果見表4。

表 4 光催化劑用量對甲基橙降解率的影響

由表4可以看出，隨著催化劑用量增加，降解率增大；催化劑用量為(10～20) mg時，降解率趨于穩定，選擇適宜的催化劑用量為10 mg。

2.5 復合光催化劑的重復利用

將③號光催化劑加入pH為3.8的甲基橙溶液35 mL中，光照3 h后，測其吸光度。洗滌、干燥和結晶后重復上述步驟2次，考察光催化劑重復使用次數對甲基橙降解率的影響，結果見圖2。由圖2可見，隨著催化劑重復使用次數增加，甲基橙降解率下降，催化劑重復使用3次，降解率降至34.2%。

圖 2 催化劑重復使用次數對甲基橙降解率的影響Figure 2 Effects of repeated use times of photocatalyst on degradation rate of methyl orange

2.6 正交實驗

正交實驗結果見表5。

表 5 正交實驗結果

由表5可以看出，光催化劑降解甲基橙的主要影響因素順序為：pH值>溫度>催化劑用量>時間，最佳條件為：室溫，光催化時間3 h，催化劑用量10 mg,CuO與g-C3N4質量比為3∶10。

3 結 論

(1) 研究了CuO/g-C3N4復合光催化劑降解甲基橙的性能，結果表明，在CuO與g-C3N4質量比為3∶10、反應3 h、甲基橙溶液pH=3.8、催化劑用量10 mg和溫度(15～25) ℃條件下，甲基橙降解率最高，催化劑循環使用3次后，降解率降至34.2%。

(2) 正交試驗結果表明，光催化劑降解甲基橙的主要影響因素順序為：pH值>溫度>催化劑用量>時間。

參考文獻:

[1]葉劍,張瑞豐,侯琳熙.大尺寸大孔徑TiO2/SiO2光催化劑的制備及甲醛去除研究[J].環境工程學報,2011,5(7):1-2. Ye Jian,Zhang Ruifeng,Hou Linxi.Preparation of large-sized macroporous TiO2/SiO2photocatalyst and photodegradation of formaldehyde[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2011,5(7):1-2.

[2]盧敬霞,張彭義,何為軍.臭氧光催化降解水中甲醛的研究[J].環境工程學報,2010,4(1):27-30. Lu Jingxia,Zhang Pengyi,He Weijun.Research on degradation of formaldehyde in aqueous solution by combined photocatalysis and ozonation[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2010,4(1):27-30.

[3]方世杰,徐明霞,黃衛友,等.納米TiO2光催化降解甲基橙[J].硅酸鹽學報,2001,29(5):439-442. Fang Shijie,Xu Mingxia,Huang Weiyou,et al.Photocatalytic degradation of methylorangeon nanocrystalline TiO2[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2001,29(5):439-442.

[4]高振偉,周易,陳永娟.印染廢水的光催化氧化研究現狀及進展[J].工業安全與環保,2008,34(2):45-47. Gao Zhenwei,Zhou Yi,Chen Yongjuan.Present situation and

development of photocatalytic oxidation treatment for dyeing wastewater[J].Industrial Safety and Environmental Protection,2008,34(2):45-47.

[5]王玲.磷鎢酸光催化降解甲基橙溶液的研究[J].環境污染治理技術與設備,2006,7(1)：129-131. Wang Ling.Photocatalytic degradation ofmethylorange solution with phosphotungstic acid[J].Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control,2006,7(1):129-131.

[6]朱宏飛,李定龍,朱傳為.印染廢水的危害及源頭治理舉措[J].環境科學與管理,2007,32(11):89-92. Zhu Hongfei,Li Dinglong,Zhu Chuanwei.Harm of the printing and dyeing wastewater and the emission source treatment[J].Environmental Science and Management,2007,32(11):89-92.

[7]王崇俠,宋慶平,張會,等.稀土離子(Sm3+,La3+)摻雜納米TiO2光催化性能研究[J].安徽工程科技學院學報,2009,24(1):12-14. Wang Chongxia,Song Qingping,Zhang Hui,et al.Photocatalytic degradation of methyl orange on rare-earth ion(Sm3+,La3+) doped nano-sized TiO2[J].Journal of Anhui University of Technology and Science,2009,24(1):12-14.

[8]儲金宇.可見光光催化劑制備、表征及光催化效果研究[D].鎮江：江蘇大學,2011. Chu Jinyu.Preparation,characterization and the study on the photocatalytic efficiency of visible light photocatalysts[D].Zhenjiang:Jiangsu University,2011.

[9]Zhou Xiaosong,Jin Bei,Chen Ruqing.Synthesis of porous Fe3O4/g-C3N4naospheres as highly efficient and recyclable photocatalysts[J].Materials Research Bulletin,2013,(48):1447-1452.

Photocatalytic degradation of methyl orange over CuO/g-C3N4composite photocatalyst

MaoNa

(Weinan Normal University,Weinan 714099,Shaanxi,China)

Using Cu(NO3)2and g-C3N4as raw materials,CuO/g-C3N4composite photocatalysts were prepared by dissolution and evaporation,and then calcination at 500 ℃.The performance of CuO/g-C3N4composite photocatalysts for degradation of methyl orange under visible light was investigated.The results showed that through orthogonal tests,the optimal condition was obtained as follows:methyl orange solution pH=3.8,reaction temperature (15-25) ℃,mass ratio of CuO to g-C3N43∶10,catalyst dosage 10 mg and reaction time 3 h.The maximum degradation rate of methyl orange was 64.6% under the optimal condition.

catalytic chemistry;CuO/g-C3N4composite photocatalyst;methyl oragne;degradation

O644;TQ034 Document code: A Article ID: 1008-1143(2016)12-0072-04

2016-07-29；

2016-11-25

陜西省軍民融合項目(16JMR10);陜西省教育廳項目(16JK1266);渭南師范學院育苗項目(16YKP002)

毛 娜，1982年生，女，陜西省渭南市人，碩士，講師，研究方向為茂鋯化合物的合成以及催化硅腈化反應。

10.3969/j.issn.1008-1143.2016.12.014

O644;TQ034

A

1008-1143(2016)12-0072-04

doi:10.3969/j.issn.1008-1143.2016.12.014