[发明专利]一种钾掺杂的反蛋白石氮化碳光催化剂的制备与应用

说明书

本发明提供了一种钾掺杂的反蛋白石氮化碳(IO K‑CN)光催化剂的制备方法，该催化剂在可见光作用下可以很好地用于左氧氟沙星(LVX)等抗生素污染物的降解。本发明以三维有序排列的二氧化硅(SiO₂)作为硬模板，溴化钾(KBr)作为前驱体来合成钾掺杂的反蛋白石氮化碳。通过调控KBr的质量分数探究最佳负载量。本发明所述方法可以简单通过改变KBr的质量来控制掺入的钾的质量分数。制备的钾掺杂的反蛋白石氮化碳材料具有减小的带隙和较高的的光生电子‑空穴对分离效率，表现出优异的光催化活性。通过将其应用于LVX废水的降解，发现其可以在可见光的驱动下快速降解抗生素，并具有比普通氮化碳(bulk CN)以及纯反蛋白石氮化碳(IO CN)材料更好的光催化活性。

技术领域

本发明涉及一种用于光催化降解LVX的光催化剂，特别是钾掺杂的反蛋白石氮化碳光催化剂，属于纳米材料领域和光催化技术领域。

背景技术

近年来，将半导体光催化剂应用于抗生素废水的降解受到了广泛的关注，因为这一过程可以充分利用清洁的太阳光作为反应的动力。并且，这种光催化降解抗生素污染物的方法不会产生有毒副产物，可以被认为是一种安全、绿色的方法。

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种不含金属的n型半导体，具有良好的物理化学稳定性和环境友好性。然而，普通的g-C₃N₄具有两方面的缺陷：(1)可见光吸收能力较低；(2)可见光利用效率较低。将光子晶体的反蛋白石结构与g-C₃N₄相结合，同时掺入合适量的钾，制备出钾掺杂的反蛋白石氮化碳可以有效解决这两大缺陷。钾的掺入促进了可见光的吸收能力，反蛋白石结构特有的禁带散射效应和“慢光效应”可有效改善可见光的利用效率。

由于可见光吸收能力的提高、可见光利用效率的提升以及光生电子与空穴分离效率的改善，将反蛋白石结构和钾掺杂结合形成的光催化剂，其活性的提升是可预见的。

因此，基于以上研究背景，本发明制备了一种钾掺杂的反蛋白石氮化碳光催化剂并用于在可见光激发下光催化降解LVX，同时系统地对比了钾掺杂的反蛋白石氮化碳光催化剂与其他氮化碳光催化剂降解LVX的区别。一方面，反蛋白石结构具有周期性的孔道结构，能够促进光生电子和空穴的分离，并且反蛋白石结构特有的禁带散射效应和“慢光效应”可有效改善可见光的利用效率；另一方面，钾的掺入促进了可见光的吸收能力。该发明所制备的钾掺杂的反蛋白石氮化碳光催化剂具有较大的比表面积、较高的可见光吸收能力、较高的可见光利用效率以及较高的光生电子和空穴的分离效率，从而具有优异的降解LVX的能力，为绿色安全地处理LVX废水提供了新途径。

发明内容

为提高在可见光激发下光催化降解LVX的效果，本发明提供了一种钾掺杂的反蛋白石氮化碳(IO K-CN)光催化剂的制备方法，该催化剂在可见光作用下可以很好地用于左氧氟沙星(LVX)等抗生素污染物的降解。本发明以三维有序排列的二氧化硅(SiO₂)作为硬模板，二氰二胺(DCDA)，溴化钾(KBr)作为前驱体来合成钾掺杂的反蛋白石氮化碳。通过调控KBr的质量分数探究最佳负载量。本发明所述方法可以简单通过改变KBr的质量来控制掺入的钾的质量分数。通过在惰性气氛下煅烧前驱体及硬模板的方法制备钾掺杂的反蛋白石氮化碳光催化剂并应用于抗生素污染物的降解。同时与其他氮化碳光催化剂降解LVX进行比较。本发明所述方法可以简单通过硬模板及前驱体在惰性气氛下的煅烧制备钾掺杂的反蛋白石氮化碳光催化剂。反蛋白石结构与掺入的钾共同改善了光生载流子分离效率，从而提高了光催化活性。制备的钾掺杂的反蛋白石氮化碳材料具有减小的带隙和较高的的光生电子-空穴对分离效率，表现出优异的光催化活性。通过将其应用于LVX废水的降解，发现其可以在可见光的驱动下快速降解抗生素，并具有比普通氮化碳(bulk CN)以及纯反蛋白石氮化碳(IO CN)材料更好的光催化活性。

本发明提供的钾掺杂的反蛋白石氮化碳光催化剂的制备方法，包括以下步骤：