[发明专利]一种可见光响应的硼氮共掺杂光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种可见光响应的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的制备方法及应用，属于光催化领域。本发明是通过氧化‑还原法制备硼氮共掺杂石墨烯光催化剂。包括如下步骤：（1）将金属酞菁置于浓盐酸和吡啶的混合溶液中，回流反应得到无金属酞菁；将无金属酞菁置于石英管式炉中，经程序升温煅烧得到氮掺杂石墨烯；（2）经高锰酸钾和硫酸氧化得到氧化氮杂化石墨烯；（3）添加硼源还原氧化氮杂化石墨烯得到硼氮共掺杂石墨烯光催化剂。本制备方法简单易行，成本低廉，可用于工业化生产；所制得的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂具有可见光区范围响应，高光催化活性等优点，可用于工业有机染料废水的光催化处理。突破了石墨烯不能作为一种独立的光催化剂应用于光催化降解有机染料废水领域的问题。

技术领域

本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种可见光响应的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的制备方法及应用。

背景技术

随着现代工业的迅猛发展，环境污染问题日益突出，其中，水体污染已经威胁到国民的健康和社会的发展，治理水体污染已经成为一个人们日益关注的话题。光催化技术作为一种绿色、环保和可持续发展的污水处理技术，可以直接利用太阳光作为光源，把有机污染物彻底降解为CO₂和H₂O，不产生二次污染，已经受到的人们的热切关注。

在光催化降解废水领域，半导体(TiO₂、ZnO、ZnO和CdS)或贵金属(Au、Pd和Au-Pd)是主流的光催化剂，此类光催化剂具有对太阳能的利用率低下、纳米颗粒团聚严重、抑制光致载流子快等缺点，会造成金属资源的浪费和在后处理方面会污染环境等问题。

石墨烯是一种零带隙材料，使其不能独立作为光催化剂应用于光催化领域。文献表明，石墨烯只能作为助催化剂，与金属或金属化合物形成复合材料作为光催化剂应用于光催化产氢或降解领域。通过杂原子（N、P、S等）掺杂到石墨烯的表面或晶格中，破坏石墨烯晶格对称性，导致π键和π反键之间形成带隙，将石墨烯转化为半导体。由于掺杂剂引入额外的自由电荷载流子，在状态密度下引入附加状态，改变了石墨烯的电子结构。具有更多价电子的原子掺杂到石墨烯则形成n型掺杂，而具有较少价电子的原子掺杂到石墨烯形成p型掺杂。这种杂原子掺杂打开了石墨烯的带隙，使其可以作为一种独立的光催化剂应用于光催化降解有机染料废水领域。

有鉴于此，特提出本发明以解决上述技术问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种可见光响应的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂，光催化剂具有可见光响应范围，高光催化活性等优点，可用于工业有机染料废水的光催化处理。以解决石墨烯不能作为一种独立的光催化剂应用于光催化降解有机染料废水领域的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种硼氮共掺杂墨烯光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1: 制备氮掺杂石墨烯：

（1）将酞菁加入浓盐酸和吡啶的混合溶液中，回流反应，抽滤洗涤，干燥处理得无金属酞菁；

（2）将无金属酞菁置于石英管式炉中，经程序升温，烧结得氮掺杂石墨烯；

S2: 制备氧化氮掺杂石墨烯：

向氮掺杂石墨烯中加入的浓硫酸，冰水浴搅拌；低温时加入高锰酸钾；升温至 80℃继续搅拌；接着转移到的热水中，并加入5%过氧化氢溶液搅拌；抽滤，洗涤，烘干，得氧化氮掺杂石墨烯；

S3: 制备硼氮共掺杂石墨烯光催化剂：

将氧化氮掺杂石墨烯超声分散在去离子水中；在35 ℃时加入一定量的硼源反应；抽滤、洗涤、干燥，得硼氮共掺杂石墨烯。

本发明中的方法可以做如下进一步改进。

进一步，步骤S1中，酞菁为锌酞菁、铜酞菁、镍酞菁、钴酞菁或铁酞菁；其与混合溶液料液比为3：10；回流反应条件为120℃反应12 h；