黨銀萍，鄧大雙，何 平

(西華師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 南充 637000)

近年來(lái),基于半導(dǎo)體的光催化技術(shù)引起了研究者們極大的關(guān)注。一方面，光催化技術(shù)可以直接利用清潔、經(jīng)濟(jì)、安全，取之不竭的太陽(yáng)能，具備顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)。另一方面，光催化技術(shù)在能源領(lǐng)域和環(huán)保領(lǐng)域，如分解水產(chǎn)氫，還原CO2成有機(jī)物，污染物降解礦化，有機(jī)物合成，細(xì)菌殺滅，人工固氮等眾多方面已有較多的研究，顯示出巨大的應(yīng)用前景[1]。其中新型的有機(jī)聚合物半導(dǎo)體光催化劑—類石墨相氮化碳(g-C3N4)，由于具有價(jià)格低廉、無(wú)毒、無(wú)污染、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為光催化技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。檸檬黃是一種人工合成的水溶性的偶氮染料，主要用于食品、飲料、藥品及化妝品的著色，也用于羊毛、蠶絲的染色及制造色淀。但是，有關(guān)研究表明長(zhǎng)期食用人工色素會(huì)影響兒童智力發(fā)育。因此，本文以三聚氰胺為原料, 采用高溫縮聚的方法，合成光催化劑g-C3N4。通過(guò)XRD、FT-IR、SEM、UV-vis DRS表征手段對(duì)g-C3N4進(jìn)行了表征，選擇LY作為模型污染物質(zhì)，評(píng)價(jià)了g-C3N4的光催化活性。結(jié)果表明，當(dāng)光照時(shí)間為50 min時(shí)，g-C3N4對(duì)LY的降解率為90.3%。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

三聚氰胺；檸檬黃(LY)；無(wú)水乙醇；管式爐(OTF-1200X)；X-射線衍射儀(Ultima IV)；傅里葉紅外光譜儀(Perkin-Elmar 2000)；掃描電子顯微鏡(JSM-6510LV)；紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-2550)；紫外可見(jiàn)漫反射光譜儀(Shimadzu UV-3600)；電熱鼓風(fēng)干燥箱(ZX-101)；湘儀高速離心機(jī)(H1850)；磁力攪拌器(DF-101S)；超聲清洗器(KQ-5200)；氙燈(CEL-HXF300)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 光催化劑g-C3N4的制備

稱取5.0 g三聚氰胺置于帶蓋的石英舟中，將石英舟放入管式爐中，以2℃·min-1的升溫速率升至550℃，并在550℃下保溫4 h。待反應(yīng)結(jié)束管式爐自然冷卻到室溫后，取出粗樣品進(jìn)行研磨，然后將研磨后的粉末用無(wú)水乙醇和蒸餾水交替洗滌并在60℃下干燥過(guò)夜。將干燥好的樣品進(jìn)行研磨，并記為g-C3N4。

1.2.2 樣品的表征方法

使用X射線衍射儀(XRD)分析g-C3N4的晶型結(jié)構(gòu)，測(cè)試范圍為2θ=5～80°。傅立葉變換紅外(FT-IR)光譜記錄在Perkin-Elmar 2000型FTIR分光光度計(jì)上。使用掃描電子顯微鏡(SEM)分析g-C3N4的形貌。紫外可見(jiàn)漫反射光譜(DRS)分析g-C3N4對(duì)光的利用情況，使用BaSO4作為參考樣品。

1.2.3 光催化測(cè)試

量取LY染料溶液(10 mg/L，50 mL)于150 mL的夾套燒杯中，放入磁力攪拌子，加入催化劑50 mg，在黑暗條件下攪拌30 min，使光催化劑g-C3N4與LY染料溶液之間達(dá)到吸附-脫附平衡。暗反應(yīng)結(jié)束后，取3.5 mL混合液體離心，保留上層清液，記為t=0 min。打開(kāi)氙燈光源，將電流調(diào)節(jié)至15 A，每隔5 min取3.5 mL混合液體進(jìn)行離心，并保留上層清液，記為t=t min。通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量其上清液的吸光度。

空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)量取LY染料溶液(10 mg/L，50 mL)于150 mL的夾套燒杯中，放入磁力攪拌子，不加催化劑，在黑暗條件下攪拌30 min，暗反應(yīng)結(jié)束后，取3.5 mL LY染料溶液，記為t=0 min。打開(kāi)氙燈光源，將電流調(diào)節(jié)至15 A，每隔5 min取3.5 mL LY染料溶液，記為t=t min。通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量染料溶液的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 g-C3N4的表征

圖1所示為g-C3N4的XRD譜圖。從圖中可以看出，g-C3N4表現(xiàn)出兩個(gè)不同的特征峰，位置分別為13.0 °(100)和27.3 °(002)。在13.7 °處的比較弱的特征峰為melon類物質(zhì)(即CN衍生物)的層間堆積引起的特征衍射峰，在27.8 °處的較強(qiáng)的特征峰為共軛芳香族化合物的層間堆積引起的特征衍射峰[2]。

圖1 g-C3N4催化劑的XRD圖

圖2 g-C3N4的FT-IR光譜圖

圖3 光催化劑g-C3N4的SEM圖

圖2為g-C3N4的FT-IR譜圖。從圖中可以看出，在3700～3000 cm-1范圍內(nèi)的寬峰對(duì)應(yīng)于表面吸附水的N-H拉伸振動(dòng)模式和O-H振動(dòng)模式；在1650～1200 cm-1的范圍內(nèi)的吸收峰為tri-s-trizaine骨架伸縮振動(dòng)，其中在1244 cm-1和1323 cm-1處的吸收峰是由于g-C3N4中雜環(huán)結(jié)構(gòu)的C-N鍵伸縮振動(dòng)造成的；811、738 cm-1處的吸收峰是三嗪雜環(huán)骨架的彎曲振動(dòng)[3]。

圖3所示為g-C3N4的XRD譜圖。從圖中可以看出，g-C3N4是一種不規(guī)則的片層狀及塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)疏松多孔，有利于染料的吸附和降解。此外，疏松多孔的層狀結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，可以在光催化過(guò)程中為染料的降解提供更多活性位點(diǎn)，有利于光催化降解過(guò)程的進(jìn)行[4]。

圖4為g-C3N4的DRS譜圖。從圖中可以看出，g-C3N4在可見(jiàn)光范圍內(nèi)對(duì)光的利用率較強(qiáng)，吸收邊為438 nm。圖5為g-C3N4的Eg譜圖,通過(guò)Eg=(h )2計(jì)算出g-C3N4的的帶隙值為3.02 eV[5]。

圖4 g-C3N4的UV-vis DRS光譜圖

圖5 g-C3N4的Eg譜圖

2.2 g-C3N4對(duì)LY的光催化降解性能研究

如圖6所示，在氙燈照射條件下，沒(méi)加光催化劑時(shí)，LY本身對(duì)光非常穩(wěn)定，暗反應(yīng)30 min，光照50 min大約降解0.7%。在相同條件下加入g-C3N4后，LY的降解速率明顯提高，暗反應(yīng)30 min后LY被吸附0.9%，光照50 min時(shí)LY的降解率達(dá)到

90.3%。由此可見(jiàn)，g-C3N4光催化劑可有效降解LY。

圖6 g- C3N4對(duì)LY溶液的降解曲線

3 結(jié)論

以三聚氰胺為原料，通過(guò)高溫縮聚法制備了g-C3N4。使用XRD、FT-IR、SEM、UV-vis DRS表征分析了g-C3N4的物相結(jié)構(gòu)、元素組分、微觀形態(tài)及對(duì)光的利用情況。通過(guò)g-C3N4對(duì)LY染料進(jìn)行光催化降解來(lái)評(píng)估其的光催化活性。光催化降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，g-C3N4對(duì)LY染料具有較好的光催化活性，光照50 min時(shí)LY的降解率達(dá)到了90.3%。