[發明專利]一種可見光響應光催化材料及其制備與其在微污染水處理中的應用

有效

• 申請號: 202010081377.X
• 申請日: 2020-02-06
• 公開（公告）號: CN111167501B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 孫迎雪;劉晨;殷秀峰;常學明;陸松柳
• 申請（專利權）人: 北京工商大學;啟迪水務（上海）有限公司
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C02F1/30;C02F101/16;C02F101/30;C02F101/34
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 吳愛琴

本發明提供一種可見光響應光催化材料及其制備與其在微污染水處理中的應用。所述可見光響應光催化材料通過將氧化石墨烯引入碳摻雜g?C₃N₄材料實現改性制得。本發明合成出一種新型、穩定的氧化石墨烯改性的碳摻雜g?C₃N₄光催化劑，明顯增大了載流子的分離效率；通過負載，成功地將光催化劑附著在載體表面而形成負載型催化劑，有效地提高了催化劑回收再利用能力；針對微污染水中的有機物、氨氮有著較高的去除率，有利于水環境修復。

技術領域

本發明屬于催化材料技術領域，具體涉及一種可見光響應光催化材料及其制備與其在微污染水處理中的應用。

背景技術

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作為一種新興的可見光響應型光催化劑，因其具有原材料綠色易得(僅由C和N所組成)、化學和熱穩定性優良、無生物毒性、可見光響應以及催化活性較好等優點，成為研究的熱門。盡管g-C₃N₄在光催化領域具有許多優點，但由于傳統制備方法獲得的石墨相氮化碳材料存在比表面積小和光生載流子復合率高等問題，且實驗室合成的g-C₃N₄及其改性材料多為粉末狀，在實際應用中存在難以回收和循環使用的問題，限制了石墨相氮化碳基光催化材料在工業化推廣與應用。

針對上述這些問題，提高g-C₃N₄光催化活性的策略主要包括：金屬/非金屬元素摻雜、構筑半導體異質結、與光敏性染料復合、負載貴金屬納米顆粒等方法。

(1)金屬元素摻雜

根據摻雜金屬陽離子種類的不同，可以分為稀土離子摻雜(La³⁺、Ce³⁺、Er³⁺、Pr³⁺、Gd³⁺、Nd³⁺以及Sm³⁺等)與過渡金屬離子摻雜(Fe³⁺、Mo⁵⁺、Ru³⁺、Os³⁺、Re⁵⁺、V⁴⁺以及Rh³⁺等)兩大類。

稀土金屬含有較多的電子能級可以成為光生電子和空穴的淺勢捕獲陷阱，通過摻雜能延長光催化材料光生電子與空穴對的復合時間，提高其光催化活性，同時稀土元素可以吸收紫外光區、可見光區、紅外光區的各種波長的電磁輻射,從而更有效地利用太陽能。但是，摻雜過量的稀土元素時，稀土元素就會以氧化物的形式沉淀在光催化劑表面，造成有效比表面積的降低，從而引起光催化活性降低。過渡金屬摻雜的光催化劑研究較多，但是這些催化劑在熱穩定以及能帶位置等方面都有一定的缺陷，使催化劑的使用受到限制。此外，從環境友好的角度上來說，雖然金屬元素的引入可以提高光催化劑的活性。但是，催化劑在使用過程中可能會發生金屬元素的逸出，造成環境污染。

(2)非金屬元素摻雜

除了金屬元素的摻雜，向半導體材料中摻雜非金屬陰離子也可以提高光催化劑的活性。常見的摻雜有：氮摻雜、硫摻雜、鹵素摻雜以及碳摻雜。

非金屬摻雜是在不降低紫外光活性的同時提高光催化材料的可見光響應能力。但是摻雜非金屬元素提高光催化材料的可見光響應能力是以降低帶隙寬度為代價的，其后果是直接導致光催化材料的氧化能力降低，使吸附物質不能完全氧化降解。

(3)構筑半導體異質結