[发明专利]一种三维多孔氮化碳光催化材料及其制备方法与用途

说明书

本发明涉及一种三维多孔氮化碳光催化材料及其制备方法与用途。该光催化材料制备步骤是：将三聚氰胺溶于无水乙醇并搅拌均匀，去除部分溶剂，将混合物置于马弗炉中煅烧得到层状氮化碳材料；再向氮化碳材料中加入六亚甲基四胺，混合均匀后置于马弗炉中，退火煅烧得到三维多孔氮化碳光催化材料。该材料能够高效还原废水中的六价铬，其制备工艺简单，并且制备过程中所需原料来源广泛、价格低廉。本发明可解决片层氮化碳堆积、光生载流子复合率高等问题，可广泛用于重金属废水的处理。

技术领域

本发明属于环境功能材料和水处理新技术领域，具体涉及一种三维多孔氮化碳光催化材料及其制备方法与用途。

背景技术

随着工业化的快速发展，重金属被广泛应用于钢铁、电子、金属加工、油漆、木材防腐剂等工业生产过程。然而，因储存及处置不当，重金属离子已成为水体中常见的污染物。而重金属离子能够在水体环境中长期存在，难以降解，严重威胁生态环境的安全和影响人类健康。重金属污染水体的修复一直是一个重大的挑战。其中，铬是水中最常见的重金属污染物之一。六价铬具有毒性大、易迁移、生物可利用等特点，且对人体具有致癌和致突变作用。因此，急需寻找一种高效且经济的技术对六价铬废水进行处理。目前对于水中铬的处理方法主要是先将六价铬还原为三价铬，再进行去除。六价铬还原的常规方法包括电还原、化学药剂还原、光催化还原等。其中，光催化技术被认为是一种具有前途的六价铬废水处理技术，利用丰富的太阳能资源来处理环境污染更是一种可持续发展的战略手段。由于光催化技术具有操作简单、成本低、效率高、环境友好等优点，能够在环境修复和污染控制技术方面得以应用。因此，研发一种高效、经济和环保的光催化剂，已成为进一步发展和应用光催化技术的关键性问题。

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种无毒、非金属、原料丰富、易获得的可见光响应型光催化材料，在降解污染物、光解水产氢等方面得到了广泛研究和应用。但是g-C₃N₄禁带宽度为2.7eV左右，较大的禁带宽度导致其对太阳光的利用率低。同时，g-C₃N₄的光生电子-空穴对在内部迁移的过程中极易复合，导致光催化反应的量子效率低，影响了反应的进行。此外，层状堆叠的结构使得单层g-C₃N₄比表面积小，减少了催化剂与反应物质的接触面积，使得参与反应的活性位点减少，降低光催化反应效率。因此，构建三维多孔结构的g-C₃N₄，能够提高比表面积，暴露更多的活性位点，提供更多的反应位点，从而可以有效地提高光催化效率。另外，三维结构可以使光在催化剂中发生多次反射，提高光的吸收。三维结构还能有效地锚固催化剂，防止催化剂团聚，避免流失，提高催化剂的稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有光催化剂存在易团聚和催化效率不高的技术问题，开发一种成本低廉，催化效率更高效的可用于光催化处理重金属废水的三维材料。

本发明提出一种具有三维结构氮化碳的光催化材料的制备方法，从而提高光催化反应的性能。具体制备步骤如下：

(1)称取10～50g三聚氰胺溶于100～1000mL无水乙醇，于25～65℃油浴锅中充分搅拌30～300min；然后去除混合液中的液体，使其均匀分散在坩埚中，盖上盖子置于马弗炉中，在300～500℃下煅烧2～4小时，然后升温至500～600℃保持2～4小时。待冷却后从坩埚中取出块状固体研磨成细粉末状，再次放入坩埚中，不加盖子置于马弗炉中煅烧2～5小时，得到g-C₃N₄材料；

(2)将步骤(1)中得到的g-C₃N₄材料，每1g混入0.05～0.5g的六亚甲基四胺，使其混合均匀，置于马弗炉于300～700℃下退火1～4小时，得到三维g-C₃N₄光催化材料。