TiO2/g-C3N4光催化材料的設計, 制備及光催化性能研究

李晨雨 郭慶杰 王俏俏 徐亞珍 張忠祥

【摘? 要】利用尿素作為氮源，和二氧化鈦混合，采用高溫煅燒和密封熱解的方法制備TiO2/g-C3N4光催化材料。之后使用紅外光譜儀、X射線儀以及電子顯微鏡對TiO2/g-C3N4進行材料結構性狀研究，并分析了它的光催化性能。結果表明，二氧化鈦成功的同石墨相氮化碳結合，且制備出的復合光催化材料的降解性能更優。因為其具備較低的光生載流子復合速率，所以光催化性能大大加強。

【關鍵詞】二氧化鈦;石墨相氮化碳;光催化性能

Abstract： TiO2 / g-c3n4 photo catalyst was prepared by using urea as nitrogen source， mixing with titanium dioxide， calcining at high temperature and sealed pyrolysis. After that， the structure of TiO2 / g-c3n4 was studied by infrared spectrometer， X-ray instrument and electron microscope， and its photo catalytic performance was analyzed. The results showed that TiO2 was successfully combined with graphite carbon nitride， and the degradation performance of the composite photo catalyst was better. Because of its low recombination rate， its photo catalytic performance is greatly enhanced.

Key words： titanium dioxide; graphite phase carbon nitride; photocatalytic performance

引言

當前社會、經濟不斷發展，工業的進步速度人們生活越來越便捷的同時，也使得環境問題成為了國家的心頭病。比如在許多行業中，在生產時皆應用羅丹明B（RhB）作為燃料，RhB如果不能被很好地處理降解掉，就會成為一種污染源，危害人類的健康，同時也會對環境造成破壞。所以需要找到一種能夠更好的降解掉RhB的材料和處理方法。

二氧化鈦（TiO2）是一種具備化學性質穩定、無毒、成本低等諸多優點的光催化材料，但也存在只響應紫外光、光生載流子復合嚴重的缺點。石墨相氮化碳（g-C3N4）則是層狀結構無機非金屬材料，具備耐高溫、耐腐蝕、且可調節能帶結構的優點，同時能吸收一定的可見光，價格也較為低廉，成為了能源和環境領域的研究新熱點。但同時石墨相氮化碳存在易聚團，光生電子-空穴易復合的缺陷，限制了它的應用。

兩種材料都屬于光催化材料，而太陽光則是清潔、無污染、近乎無限的能源，是一種綠色處理技術，使得此復合材料制備和降解技術具有更大的發展使用前景。本文就以尿素混合TiO2，使用高溫煅燒和密封熱解的辦法制備出TiO2/g-C3N4復合光催化材料，并對其進行結構分析以及光催化降解能力的研究。

1.實驗設計

1.1原料與儀器

P25型納米二氧化鈦，產自Degussa公司;尿素：分析純，產自天津大茂化學試劑廠;亞甲基藍（MB）：分析純，產自國藥集團化學試劑有限公司;羅丹明B（RhB）：分析純，產自國藥集團化學試劑有限公司。

傅立葉紅外光譜儀：IR Prestige-21，日本島津公司;X射線衍射儀：XRD，BrukerD8型，Bruker公司;馬弗爐：KSL-1600X，洛陽澗西耐火材料實驗廠;電子顯微鏡：SEM，Quanta250型，美國FEI公司;光化學反應發生儀：DGY-1A，南京多助科技發展有限公司。

1.2 TiO2/g-C3N4復合光催化劑的制備

在制備TiO2/g-C3N4之前，應當先以尿素制備成g-C3N4（石墨相氮化碳）。稱量40g尿素，將其置于坩堝中，然后使馬弗爐將其加熱，升溫的速度保持在每分鐘10攝氏度，直到溫度到達550℃時停止升溫，保持這個溫度加熱兩小時。之后等待馬弗爐自然冷卻，溫度達到室溫時即可取出其中已被制成的石墨相氮化碳（g-C3N4，淡黃色固體狀）。

制備完成g-C3N4后，就開始制備TiO2/g-C3N4。分別量取提前備好的納米二氧化鈦0.5g以及先前制取的g-C3N4，將兩者混合均勻，之后使用錫紙密封好二者的混合物，將其放在馬弗爐中，繼續上一步驟中的操作，即以每分鐘十攝氏度的速率升至550攝氏度，加熱兩小時，即可得到TiO2/g-C3N4復合光催化材料。

1.3測試與結構性狀

利用實驗室的X射線衍射儀對制成的TiO2/g-C3N4復合材料進行測試，測試其物相組成。使衍射儀步速保持在0.013°/s，掃面區域的角度在60°;而后換為傅里葉紅外光譜儀對材料進行基團結構測試，測試前將復合材料烘干，量取TiO2/g-C3N4材料0.3克與2.7克的溴化鉀混合，之后利用電子顯微鏡對其表面特征進行掃描查看，掃描電壓保持為20V。

1.4光催化性能測試

使用光化學反應發生儀進行TiO2/g-C3N4對羅丹明B的光催化降解實驗。

實驗前，先量取50mgTiO2/g-C3N4復合材料，并把它混入羅丹明b溶液（50ml，1g/L）中，注意不使其被光照射。在實驗過程中，需要每隔一段時間提取溶液進行測試，本研究以10分鐘為間隔。提取出的溶液通過分離后提取出上清液進行透光率測試，溶液的降解率公式為：

其中，c0—溶液初始質量濃度;A0—初始吸光度;Ct—經過t時段光照后溶液的質量濃度;At—溶液在t時刻的吸光度。

2.結果與討論

2.1 X射線測試結果分析

通過X射線衍射儀測量的TiO2/g-C3N4復合光催化材料的物相組成結果，即XRD譜圖，如圖1所示。

通過XRD譜圖可以看出，CN（純g-C3N4晶體）在衍射角度為27左右處出現了一次高峰，這個衍射峰是有π共軛平面的石墨發生堆積而導致的。從TCN（TiO2/g-C3N4復合材料）的曲線看，在25°處和27度處分別呈現為銳鈦礦相和金紅石相的衍射峰。對比兩者的衍射曲線，tcn的衍射峰強度弱。

2.2紅外光譜結果分析

通過傅里葉紅外光譜儀對光催化材料的結構進行分析，測量得出的FT-IR譜圖如圖2所示：

有圖分析可知，CN的表征吸收峰主要在1500cm和3450cm左右，分析有三臻環骨架吸收峰和c-n振動峰。而TCN的表征吸收峰同樣也主要分布于這兩種波數范圍中，區別是TCN的吸收強度變高，這表示二氧化鈦影響到氮化碳的震動。說明TiO2與g-C3N4已經成功復合成為新材料。

2.3電子顯微鏡結果分析

電子顯微鏡對g-C3N4和TiO2/g-C3N4的掃描結果如圖3、4所示。

從圖3中可以看出，g-C3N4的表征為層狀結構且晶體內部充斥有很多空洞，切邊緣部分呈現卷曲狀;從圖4可以看出，TiO2/g-C3N4復合過后形成的材料，在表面出現了沾染在晶體上的顆粒狀二氧化鈦，且分布均勻、結合密切，有利于光生載流子分離。

2.4光催化性能研究

使用TiO2/g-C3N4復合光催化劑催化降解羅丹明B，以300W的長弧氙燈作為光照來源，并將反應過程繪制成曲線圖，最終結果呈現如圖5所示。

通過對圖5的觀察可以發現，在使用光照之前的暗光環境下，進行了30分鐘的吸附之后，TiO2/g-C3N4對于羅丹明B的吸附率要超過純g-C3N4。這表示復合材料的孔隙率比純g-C3N4要多。而進行50分鐘的光照催化降解反應之后，從曲線結果可以看到TiO2/g-C3N4的降解程度接近100%，約在95%以上;而純g-C3N4的降解程度在80%-85%之間。復合材料在降解效果方面的提升，直觀體現了它的光催化性能。通過動力學方程可以對比光催化反應速率，公式為：

其中，C0、C同上;k—反應速率常數;t—降解反應的時間。

使用該方程可以得到復合材料的光催化速率擬合曲線，如圖6所示。

由圖可知，該擬合曲線與時間成正比線性關系，這表示TiO2/g-C3N4的光催化降解羅丹明B的過程是屬于該方程的反應過程的。計算得到的光催化反應速率常數以及R2系數的結果，如表1所示。

純g-C3N4與加入二氧化鈦的TiO2/g-C3N4材料出現催化降解速率差異的原因，是TiO2/g-C3N4的光生載流子分離效率更高，導致催化降解的速率更快。

3.結語

本文將尿素高溫加熱生成純g-C3N4，之后又將其與納米狀二氧化鈦混合密封加熱生成TiO2/g-C3N4復合材料，這種制備方法主要是為了更好區分兩種材料，確保試驗不受影響，一般在制備時將尿素與TiO2混合密封加熱亦可得到TiO2/g-C3N4材料。

本文以X射線衍射儀、傅里葉紅外光譜儀和電子顯微鏡對制備出的材料進行了結構和形貌的分析，并以羅丹明B作為降解底物，對比研究了純g-C3N4和TiO2/g-C3N4的光催化降解性能。

在實驗中X光衍射儀的譜相以及傅里葉紅外光譜結果表示，本文的制備方法較為合理，納米狀TiO2和g-C3N4的結合程度較高。而在催化降解羅丹明B的反應過程中，反應速率也要超過純氮化碳的催化，效果高出2.19倍。

參考文獻

[1]馮勝雷，劉方華，付翔，郭慧，彭小英，宋軍偉.TiO_2/g-C_3N_4光催化材料的制備及其可見光降解性能研究[J].化工新型材料，2020，48（11）：99-102+107.

[2]王曉. g-C_3N_4/TiO_2復合光催化劑的制備與光催化性質研究[D].青島科技大學，2020.

[3]白苗苗，安小康，馬向榮，孟宇.g-C_3N_4/TiO_2復合材料的制備及其光催化性能研究[J].榆林學院學報，2020，30（02）：10-14.

[4]周勃. 二氧化鈦/石墨相氮化碳基復合光催化劑的制備及性能研究[D].吉林大學，2019.

[5]倪佳鑫. g-C_3N_4/TiO_2光催化劑的制備及可見光下降解水中TCH研究[D].哈爾濱工業大學，2019.

[6]安偉佳，徐子怡，邵化旭，劉磊，苗葉凡.g-C_3N_4/TiO_2復合光催化劑制備及活性研究[J].無機鹽工業，2019，51（04）：81-85.

[7]閆玉梅. g-C_3N_4/TiO_2納米復合材料的制備及其光催化性能研究[D].浙江理工大學，2019.

作者簡介：李晨雨（2000.01-），男，河南商丘人，包頭市昆都侖區內蒙古科技大學材料與冶金學院材料化學專業，本科生。

郭慶杰（1999.10-），男，河南焦作人，包頭市昆都侖區內蒙古科技大學材料與冶金學院材料化學專業，本科生。

王俏俏（2000.03-），女，河南新鄉人，包頭市昆都侖區內蒙古科技大學材料與冶金學院無機非金屬材料工程專業，本科生。

徐亞珍 （2001.02-），女，河南汝州人，包頭市昆都侖區內蒙古科技大學土木工程學院土木工程專業，本科生。

張忠祥（1998.12-），男，河南商丘人，鄭州市新鄭市鄭州升達經貿管理學院管理學院旅游管理專業，本科生。