一種高比表面積石墨相氮化碳光催化劑的制備方法與流程

本發明涉及光催化材料技術領域，特別涉及一種高比表面積石墨相氮化碳光催化劑的制備方法。

背景技術：

石墨相氮化碳是一種類石墨結構的聚合物半導體，其禁帶寬度約為2.7eV，可以吸收太陽光譜中波長小于475nm的藍紫光，即在可見光區有吸收。由于其具有穩定性高、獨特的電子能帶結構、廉價、無毒等優點，石墨相氮化碳被作為新型非金屬光催化劑廣泛應用于環境污染及各類催化反應中，如光分解水產氫、降解有機污染物等。眾所周知，光催化劑表面結構對于光催化活性有著至關重要的作用，比表面積的增大有利于半導體光生載流子的分離，可以使光催化性能大幅度增強。

本發明制備出的石墨相氮化碳與已有文獻 [Jinghai Liu, Yuewei Zhang, Luhua Lu, Guan Wu and Wei Chen. Self-regenerated solar-driven photocatalytic water-splitting by urea derived graphitic carbon nitride with platinum nanoparticles. Chem. Common., 2012, 48, 8826-8828.]和 [Yuewei Zhang, Jinghai Liu, Guan Wu and Wei Chen. Porous graphitic carbon nitride synthesized via direct polymerization of urea for efficient sunlight-driven photocatalytic hydrogen production. Nanoscale, 2012, 4, 5300-5303.] 報道的直接以尿素為原料制備的石墨相氮化碳比表面積增大了28.04~52.08m²/g。通過簡單、綠色的機械力研磨處理原料，再進行煅燒制備多孔、高比表面積的石墨相氮化碳光催化劑材料還未見相關報道。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種高比表面積石墨相氮化碳光催化劑的制備方法，該方法使用機械力研磨處理原料，可以有效提高石墨相氮化碳的比表面積，操作簡單易行、綠色無污染。

本發明提供的一種高比表面積石墨相氮化碳光催化劑的制備方法，包括如下具體步驟：

(1)稱取尿素置于直徑12cm玻璃研缽，使用研磨棒用力畫圈研磨，至原料呈均勻細小的固體粉末狀；

(2)將(1)研磨過的尿素原料置于加蓋坩堝中，空氣氛圍下在馬弗爐中分段進行煅燒、恒溫、自然冷卻處理，即得高比表面積石墨相氮化碳光催化劑。

上述制備方法中，步驟(1)中尿素質量為10~30g，具體可為10g、20g、30g；研磨時間范圍為2~4h，研磨速度為40~60圈/分鐘。

上述制備方法中，步驟(2)在空氣氛圍下，馬弗爐分段進行加熱升溫、恒溫及自然冷卻處理，其中馬弗爐升溫速率為11~20℃/min，具體可為16℃/min；加熱溫度設置為350~600℃，具體可分別設為400和550℃；加熱恒溫總時間為4h~6h，具體可將兩個溫度段分別設置為2h。

本發明提供了上述方法制備的高比表面積石墨相氮化碳光催化材料的部分表征，所述石墨相氮化碳光催化劑的比表面積為97.64~121.68m²/g，平均孔徑為18.97~44.51nm。

本發明提供的高比表面積石墨相氮化碳既是一種非金屬半導體光催化劑，又是一種良好的載體。本發明提供的高比表面積石墨相氮化碳光催化劑的制備方法，其原料廉價、工藝簡單、綠色無毒，具有很高的應用前景和實用價值。

附圖說明

圖1為實施例1制備的高比表面積石墨相氮化碳的SEM圖。

表1為實施例1和2制備的高比表面積石墨相氮化碳與文獻石墨相氮化碳的孔徑分布表。

圖2為實施例1和2制備的高比表面積石墨相氮化碳與常規石墨相氮化碳的XRD圖。

具體實施方式

本發明下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。

本發明下述實施例中所使用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。

本發明下述實施例中所使用的初始反應物為市售分析純的尿素。

本發明下述實施例中，采用日本理學株式會社MiniFlex 600型X射線衍射儀(XRD) ( Cu Kα射線，λ=1.5406?，電壓為40kV，電流為30mA)測試所制備石墨相氮化碳的晶型結構；采用美國Micromeritics ASAP 2020型全自動化學吸附儀測定所制備石墨相氮化碳的比表面積(BET)和孔分布；采用德國卡爾蔡司 SUPRA 55 Sapphire型場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)測試所制備石墨相氮化碳的形貌。

實施例1

稱取30g尿素于直徑12cm的玻璃研缽中，使用研磨棒用力畫圈研磨2h（平均50圈/分鐘），至原料呈均勻細小的固體粉末狀；將研磨好的尿素產物置于100mL陶瓷坩堝(加蓋)，放入馬弗爐中在空氣氛圍下開始加熱升溫，加熱參數設置如下：由室溫25~30℃升溫至400℃，升溫速率為16℃/min，在400℃下恒溫2h；然后加熱升溫至550℃，升溫速率為16℃/min，在550℃下恒溫2h；自然冷卻至室溫25~30℃。將得到的淡黃色固體研磨，即得到高比表面積石墨相氮化碳光催化劑材料。

如圖1所示，本發明實施制備的石墨相氮化碳具有很多孔洞結構，屬于多孔材料。

實施例2

稱取25g尿素于直徑12cm的玻璃研缽中，使用研磨棒用力畫圈研磨4h（平均50圈/分鐘），至原料呈均勻細小的固體粉末狀；將研磨好的尿素產物置于100mL陶瓷坩堝(加蓋)，放入馬弗爐中在空氣氛圍下開始加熱升溫，加熱參數設置如下：由室溫25~30℃升溫至400℃，升溫速率為15℃/min，在400℃下恒溫2h；然后加熱升溫至550℃，升溫速率為15℃/min，在550℃下恒溫2h；自然冷卻至室溫25~30℃。將得到的淡黃色固體研磨，即得到高比表面積石墨相氮化碳光催化劑材料。

表1為實施例1和2制備的高比表面積石墨相氮化碳與文獻石墨相氮化碳的孔徑分布表。

由表1中的數據可得知，尿素原料經過機械力研磨處理后制備的石墨相氮化碳比表面積得到顯著的提高。

如圖2所示，本發明實施例1、2制備的高比表面積石墨相氮化碳結晶度良好，2θ為13.2°和27.5°分別對應石墨相氮化碳的(100)和(002)晶面。