[發(fā)明專利]一種石墨烯/g-C3N4復合光催化劑的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310701045.7
• 申請日: 2013-12-18
• 公開（公告）號: CN103769187A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設計）人: 董海軍;楊玉晴;徐德善
• 申請（專利權）人: 江蘇悅達新材料科技有限公司
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 高玉珠

技術領域

本發(fā)明涉及一種石墨烯/g-C3N4復合光催化劑的制備方法，屬于新能源光催化材料領域。

背景技術

光催化劑因其室溫深度反應和可直接或間接利用太陽能來驅動反應等優(yōu)點，而成為一種理想的環(huán)境污染治理以及清潔能源利用和生產(chǎn)技術。傳統(tǒng)光催化劑TiO₂和ZnO由于其光譜響應均在紫外光區(qū)，并且由于光生載流子極易復合，導致量子效率較低，制約了它對太陽能的利用和光催化效率的發(fā)揮。人們把視線逐漸轉移到開發(fā)量子效率更高的新型光催化劑上來。

g-C3N4即類石墨相C3N4，是一種新型的光催化劑，由于其具有良好的化學穩(wěn)定性、較窄的禁帶寬度（Eg=2.7eV）等優(yōu)點引起人們的關注。g-C3N4的納米片與塊體g-C3N4相比不僅具有較大的比表面積，而且具有更大的禁帶寬度，使光催化氧化還原活性得到增強。

自Andre?Geim和Konstantin?Novoselov成功剝離出石墨烯后，石墨烯成為各國科學家研究的熱點，隨后人們發(fā)現(xiàn)了其一系列的奇特的光電性能。尤其是石墨烯具有超強的電子傳輸性，使得其成為快速轉移電子的載體。最近發(fā)現(xiàn)通過石墨烯能夠較快的導出與其復合的半導體產(chǎn)生的光生電子，從而提高半導體光催化劑的電荷分離效果。

高溫熱解三聚氰胺法是目前制備g-C3N4的最普遍有效的方法。但是由于三聚氰胺直接熱分解得到的g-C3N4化學性質非常穩(wěn)定，在pH=0-14的強酸強堿下能夠穩(wěn)定存在。該法制備的g-C3N4很難溶解在水和有機溶劑中，對其表面官能團化十分困難，并且該法制備的g-C3N4比表面積很?。?lt;5m2/g），很難與石墨烯均勻復合，嚴重限制了其潛在的光催化活性。所以，開發(fā)出大比表面積，與石墨烯具有良好相容性的g-C3N4的制備方法是該種復合催化劑的重點和難點，也是實現(xiàn)其實用性的關鍵點。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種石墨烯/g-C3N4復合光催化劑的制備方法,本發(fā)明方法通過溶劑熱法使g-C3N4剝離成納米片，并且通過g-C3N4內在的氫鍵使其與石墨烯能夠較好的復合，具有原料易得、工藝簡便的特點，制備的石墨烯/g-C3N4光催化劑具有較大的比表面積，不僅能夠能有效的實現(xiàn)電子空穴的分離，顯著地提高復合光催化劑的光催化效率。

本發(fā)明技術方案的具體制備方法步驟如下：

（1）以三聚氰胺為原料，高溫焙燒制得g-C3N4，并用濃鹽酸對g-C3N4進行酸化處理；

（2）采用改進Hummers法合成高比表面積的氧化石墨溶液，并對氧化石墨進行超聲分散，再經(jīng)離心除去氧化程度較低的石墨，最后提取上層清液，干燥，制得極性氧化石墨烯粉末；

（3）將上述制備的氧化石墨烯粉末與g-C3N4用高能球磨機混合均勻后溶解在水合肼中，經(jīng)低溫溶劑熱法制備出高光催化活性的石墨烯/g-C3N4復合光催化劑。

上述步驟（1）中酸化g-C3N4所用的鹽酸濃度為19%～37%。

對Hummers法進行工藝改進，通過延長低溫（10～15℃）階段的反應時間，反應時間范圍為2～5小時，以利于石墨的深度氧化。

上述步驟（2）中所述的表面張力為40～50mJ/m2的超聲有機溶劑為N,N-二甲基乙酰胺、N,N二甲基甲酰胺、苯甲酸芐酯和丁內酯。

上述步驟（3）中溶劑熱法的溫度為100-200℃，反應時間為1-12h。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比所具備的優(yōu)點：

（1）通過延長低溫反應時間，增加了石墨烯的氧化程度和比表面積；通過溶劑熱法使本體g-C3N4剝離成g-C3N4納米片，極大的增加其比表面積和氧化還原能力；溶劑法制備的石墨烯/g-C3N4復合光催化劑形成較好的交叉重疊結構，有利于光生電子快速向石墨烯轉移，提高了電子空穴分離效率。

（2）在制備氧化石墨烯過程中通過氧化石墨烯的低溫反應時間加深氧化程度，有利于制得高含量的單層石墨烯；選用表面張力與石墨烯比表面能相接近的溶劑，盡可能地降低其對石墨烯的剝離能，在相同的超聲的環(huán)境下最大限度地剝離石墨；通過溶劑熱法從本體g-C3N4剝離出g-C3N4納米片，不僅較大程度的增加了光催化劑的比表面積，使g-C3N4能帶間隙變寬，增強了其氧化還原有機基團的能力，同時使g-C3N4內在的氫原子能夠與與石墨烯表面部分未還原的含氧基團之間形成氫鍵，增強了兩者的界面結合，從而能夠使電子快速的轉移到石墨烯上，增強了復合光催化劑的電荷分離效率，提高了光催化活性。