徐遠(yuǎn)國(guó) 馬云

摘 要：本實(shí)驗(yàn)旨在科研實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)綜合性的化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。1. 通過簡(jiǎn)單的煅燒法獲得紅色氮化碳光催化劑；2. 采用X射線衍射（XRD）光譜、紅外（FTIR）光譜、紫外-可見漫反射（UVVis DRS）光譜等表征手段對(duì)紅色氮化碳的組成、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；3. 以雙酚A作為目標(biāo)污染物、在模擬太陽光的光源（氙燈）照射下，研究紅色氮化碳光催化去除無色污染物的能力。本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的在于讓學(xué)生學(xué)習(xí)和了解光催化的基本原理及相關(guān)知識(shí)，基本掌握制備光催化劑材料的方法（煅燒法），常用的材料測(cè)試手段，及光催化劑降解環(huán)境污染物性能的評(píng)價(jià)方法。

關(guān)鍵詞：光催化；煅燒法；紅色氮化碳；雙酚A

眾所周知，綜合性的化學(xué)實(shí)驗(yàn)是由化學(xué)分支學(xué)科中的一些重要的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)構(gòu)成的。其包含的范圍很廣，涉及分析化學(xué)、無機(jī)化學(xué)和材料化學(xué)等。因此，學(xué)生要想掌握一定的實(shí)驗(yàn)操作技能，熟知各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用方法，必須通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，才能達(dá)到基本要求，才能為將來處理化學(xué)方面的相關(guān)問題打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的興趣，鍛煉學(xué)生的學(xué)科思維能力，在遵循基本教學(xué)規(guī)律的前提下，本實(shí)驗(yàn)在科研實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了向教學(xué)實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，如此也能更好地拓展他們的學(xué)科知識(shí)面，激發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)潛力與科研水平。理論聯(lián)系實(shí)際很重要，將所學(xué)的書本知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生活中才能真正發(fā)揮學(xué)以致用的效果。最終對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)都有一定的幫助。

近年來，光催化技術(shù)以其高效、綠色和有發(fā)展前景的策略一直受到研究者們的關(guān)注。迄今為止，光催化技術(shù)在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，如光解水制氫、CO2還原及光催化殺菌等。就光催化技術(shù)而言，其核心是光催化劑。而傳統(tǒng)的光催化劑，如TiO2、ZnO的禁帶寬度比較寬且僅對(duì)紫外光響應(yīng)，因此限制其實(shí)際應(yīng)用。為了解決上述問題，需要開發(fā)新型的光催化劑，增強(qiáng)可見光的利用率進(jìn)而提高其光催化能力。目前的研究表明，紅色氮化碳這種光催化劑對(duì)可見光的吸收范圍寬，能夠提高光源的利用率增強(qiáng)光催化去除無色污染物的能力，并且該材料的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保及制備方法簡(jiǎn)單。目前已經(jīng)成為一種新型的光催化劑用于去除水體中的污染物。

在本實(shí)驗(yàn)中，使用價(jià)格相對(duì)便宜的尿素和草酸為原料，將兩者攪拌混合均勻后，通過簡(jiǎn)單的煅燒法制備得紅色氮化碳光催化劑。在XRD（X射線粉末衍射）、FTIR（紅外）、UVVis DRS（紫外可見漫反射）等表征手段分析的基礎(chǔ)上，對(duì)已制備的光催化劑樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能分析。并且通過在可見光下去除無色污染物雙酚A對(duì)光催化性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本實(shí)驗(yàn)的開展，不僅促進(jìn)學(xué)生初步了解科研，還能夠?qū)W到多種分析方法，為學(xué)生步入科研道路打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、 實(shí)驗(yàn)部分

（一） 試劑和儀器

尿素、草酸及雙酚A（BPA）；電子天平；程序升溫馬弗爐；X射線衍射儀；紅外光譜儀；高效液相色譜儀（Agilent）。

（二） 光催化劑的表征分析

在X射線衍射儀（德國(guó)Bruker公司D8型）上進(jìn)行所制備樣品的晶體結(jié)構(gòu)和純度分析。通過紫外可見漫反射光譜（UV2450型（日本島津））分析已制備催化劑的光學(xué)性能；催化劑的結(jié)構(gòu)表征通過紅外光譜（Nicolet Nexus 470紅外光譜儀）進(jìn)行分析，測(cè)試過程中用KBr壓片。

（三） 光催化劑的制備

分別稱取10 g尿素和0.4 g草酸放入研缽中，混合均勻后將其轉(zhuǎn)入到坩堝中，隨后置于馬弗爐中進(jìn)行反應(yīng)。馬弗爐升溫速率為10℃/min直至升溫到550℃，并且保持溫度550℃ 2 h。最后，馬弗爐降至室溫時(shí)取出樣品并收集所制備的紅色氮化碳催化劑。

（四） 目標(biāo)污染物溶液的配制

（1） 準(zhǔn)確稱量20 mg BPA試劑，將其置于500 mL的燒杯中；

（2） 向上述燒杯中加入200 mL去離子水，邊超聲邊用玻璃棒攪拌直至BPA溶解；

（3） 將（2）中得到的溶液用玻璃棒引流至2 L的容量瓶中；

（4） 將玻璃棒和燒杯洗滌數(shù)次，并將洗滌液移入容量瓶直至定容至2 L，振蕩搖勻；

（5） 擰緊容量瓶的瓶塞，再反復(fù)振蕩搖勻數(shù)次。將已配制好的溶液貼上標(biāo)簽，記下溶液的名稱、濃度及配制時(shí)間。

（五） 光催化降解性能評(píng)價(jià)

在可見光照射下通過去除無色污染物BPA來考察紅色氮化碳材料的光催化降解性能。100 mL濃度為10 mg/L的雙酚A（BPA）溶液通過使用100 mg紅色氮化碳來進(jìn)行降解。在光照之前，首先暗吸附30 min，實(shí)現(xiàn)吸附脫附平衡（催化劑與污染物）。接下來立即打開光源（300 W氙燈，420 nm濾光片），每隔0.5 h（共2小時(shí)），取4 mL降解液高速離心數(shù)分鐘后，用濾膜過濾得BPA降解液。BPA溶液的去除結(jié)果使用高效液相色譜儀來分析，其中紫外檢測(cè)波長(zhǎng)為230 nm。根據(jù)朗伯比爾定律理論，可以對(duì)無色污染物（BPA）的去除率進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算公式為：

去除率=（A/A0）×100%

其中A0、A分別為光催化降解前后無色污染物（BPA）在高效液相色譜上出峰的面積積分值。

二、 結(jié)果與討論

已制備的催化劑樣品為紅色的粉末，通過XRD、FTIR、UVvisDRS等測(cè)試手段分析了催化劑的純度、結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能。在氙燈光源模擬太陽光照射下考察紅色氮化碳催化去除BPA的能力。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果很明顯的可以看到，BPA溶液在催化劑存在的條件下被逐漸分解。其結(jié)果顯示所獲得的紅色氮化碳材料在可見光照射下?lián)碛休^高的去除無色污染物的能力。

通過本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，使學(xué)生更好地了解光催化的基本原理及知識(shí)，并學(xué)習(xí)了催化劑的制備方法（煅燒法）；通過對(duì)催化劑及BPA等樣品的稱量，學(xué)會(huì)了規(guī)范使用電子天平；在配制BPA溶液（10 mg/L）的過程中，掌握了容量瓶定容的操作要領(lǐng)；同時(shí)學(xué)習(xí)了馬弗爐升溫程序設(shè)定的操作步驟；學(xué)會(huì)了紅外測(cè)試的流程；能夠使用紫外可見漫反射光譜進(jìn)行分析；熟練使用高速離心機(jī)；分析和處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了將實(shí)驗(yàn)結(jié)果形象直觀地展現(xiàn)出來，學(xué)習(xí)新的作圖方法和材料的表征分析，如紅外光譜的分析，學(xué)生通過已學(xué)知識(shí)和查閱相關(guān)資料，可以分析樣品的紅外圖譜，解釋其紅外振動(dòng)吸收峰所對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)，從而進(jìn)一步了解紅外這種表征手段；最重要的是，通過高效液相色譜來分析催化劑對(duì)BPA的降解能力，可以使學(xué)生更好地理解BPA的去除效果，并且學(xué)會(huì)使用色譜分析，同時(shí)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力。最后，將高效液相色譜的結(jié)果作圖，可以直觀地看到紅色氮化碳去除BPA的能力，使學(xué)生的作圖技能得到鍛煉。

光催化技術(shù)以高效、綠色等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在實(shí)際環(huán)境中廣泛用于處理水體中生物活性比較強(qiáng)（難降解）的污染物。而紅色氮化碳作為一種新型、綠色的寬可見光響應(yīng)范圍的半導(dǎo)體光催化材料，目前已引起了很多研究者的關(guān)注。不僅在去除環(huán)境污染物方面擁有很大的潛力，而且在實(shí)現(xiàn)全解水方面有著很好的發(fā)展前景。構(gòu)建這樣一個(gè)以科研實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的綜合性實(shí)驗(yàn)，是為了使學(xué)生熟悉最新的光催化科研成果，發(fā)掘其創(chuàng)新性，進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。同時(shí)學(xué)習(xí)光催化材料的測(cè)試手段、分析方法及去除環(huán)境污染物的能力。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生積極思考，學(xué)以致用，勇于創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]Fang W J，Liu J Y，Yu L，et al.Novel（Na，O）codoped gC3N4 with simultaneously enhanced absorption and narrowed bandgap for highly efficient hydrogen evolution[J].Applied Catalysis B：Environmental，2017（209）：631-636.

[2]Liu S J，Li F T，Li Y L， et al.Fabrication of ternary g-C3N4/Al2O3/ZnO heterojunctions based on cascade electron transfer toward molecular oxygen activation[J].Applied Catalysis B：Environmental，2017（212）：115-128.

作者簡(jiǎn)介：

徐遠(yuǎn)國(guó)，馬云，江蘇省鎮(zhèn)江市，江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院。