于洋 李秀梅 黃艷菊 鄭艷萍

摘 要：本實驗成功地合成了一種新型無金屬光催化劑（g-C3N4/C），其由石墨相碳氮化物（g-C3N4）和生物質(zhì)碳（用作碳源的廢紙）復(fù)合而成。g-C3N4/C對四環(huán)素的降解具有明顯提高的光催化活性，降解率達66%以上。它是純g-C3N4的三倍以上。更重要的是，我們的工作不僅設(shè)計了更好的光催化材料，而且還為廢物回收提供了新思路，這與可持續(xù)發(fā)展理念相契合。

關(guān)鍵詞：廢紙;四環(huán)素;g-C3N4;無金屬;生物質(zhì)碳

0 前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展環(huán)境污染也日益加劇[1-5]。對于水體污染，特別是抗生素廢水，在沒有有效監(jiān)管的情況下過量使用抗生素帶來了許多健康問題[6-9]。四環(huán)素（TC）一類廣譜抗生素一直被用作世界上使用最廣泛的抗生素之一。濫用抗生素將嚴(yán)重威脅人類和動物的健康[10]。因此，迫切需要找到一種合適的方法來解決上述問題。

在這項工作中，以廢紙為原料合成生物質(zhì)碳，不僅使原料來源廣泛，成本降低，而且避免了資源浪費，減少了環(huán)境污染。受上述原理的啟發(fā)，我們首次開發(fā)了一種新型的g-C3N4復(fù)合光催化劑，用于TC的去除。另外，透射電子顯微鏡（TEM）證明了g-C3N4/C組成的多孔結(jié)構(gòu)。典型的多孔材料有利于材料的良好吸附。獨特的功能材料可能會為設(shè)置用于環(huán)境保護和污水處理的光催化劑模型提供新的見解。

1 實驗

1.1 合成純g-C3N4

將5g尿素溶解在10mL去離子水中，并在磁力的作用下攪拌0.5h。隨后，將樣品置于60℃的真空干燥箱中放置24h。將其以5℃min-1的速率在500℃下馬弗爐中煅燒保持2h，然后將g-C3N4磨成粉末備用。

1.2 合成純C

將廢紙屑1.0g放入開放式坩堝中。其余步驟與合成純g-C3N4的步驟相同。

1.3 合成g-C3N4/C復(fù)合材料

將廢紙屑浸入5g尿素溶液中使其完全吸收。其余步驟與合成純g-C3N4的步驟相同。

1.4 光催化實驗

通過在可見光照射下降解TC溶液將0.1g光催化劑粉末分散在TC溶液中（100mL，10mgL-1），評估樣品的光催化活性。在光照射之前，懸浮液應(yīng)進行超聲處理和振蕩，以使TC和光催化劑之間達到吸收--解吸平衡。然后，使用分光光度計（UV-2550）在室溫下以357nm的特征吸收峰檢測TC的濃度。

2 結(jié)果與討論

圖1是合成的C，g-C3N4和g-C3N4/C的XRD圖譜（我們使用的是g-C3N4/C-0.02的復(fù)合材料，與下一個特征相同），這提供了有關(guān)其特定晶體結(jié)構(gòu)的更多信息。對于C的XRD圖譜，可以看到一個明顯的峰位于2-80°的范圍內(nèi)，這是純碳光譜的特征峰。在27.4°處更尖的峰屬于共軛芳族體系的[002]衍射峰，而在13.1處的峰則歸因于s-三嗪單元的面內(nèi)排列而產(chǎn)生的（100）峰，與標(biāo)準(zhǔn)g-C3N4模式（PDF50-1250）完全匹配。對于g-C3N4/C，幾乎可以檢測到所有與g-C3N4和C對應(yīng)的主峰。但是，與純g-C3N4相比，g-C3N4/C的半峰全寬已加寬，這是由于引入了少量碳所致。值得注意的是，C的峰極弱，這是由于g-C3N4/C中純C的相對含量較低。

通過降解TC溶液（20mg/L）來評估不同光催化劑的降解性能，圖2顯示了制備的g-C3N4和g-C3N4/C的樣品在可見光下對TC在90min的降解性能，從圖中可以明顯的看出，所制備的復(fù)合光催化劑子啊90min內(nèi)對TC的降解效率可以達到66%，相較于純的g-C3N4，提高了3倍以上，這主要歸因于廢紙生物質(zhì)碳的良好傳導(dǎo)電子的性能，極大地促進了電子空穴對的分離效率，促進了光催化活性的提高。

3 結(jié)論

綜上所述，成功制備了無金屬的生物質(zhì)碳改性的g-C3N4（g-C3N4/C）。這項工作為通過廢紙的二次利用處理廢水提供了新思路。制備的g-C3N4/C-0.02在可見光下90min內(nèi)顯示出對TC的最佳光催化活性（66%），遠高于純g-C3N4。本研究為去除抗生素污染物提供了一種有希望的光催化材料。

參考文獻：

[1]劉暢，張志賓，王有群，等.基于g-C3N4異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料光催化降解污染物的研究進展[J].材料導(dǎo)報，2019，33（S2）： 104-112.

[2]王莉瓊，方琴，雷明雨，等.g-C3N4-BiVO4復(fù)合光催化劑可見光催化降解甲基橙[J].工業(yè)催化，2016，24（12）：68-71.

[3]張琴，張風(fēng)麗，段芳.g-C3N4/BiVO4復(fù)合光催化劑的制備與光催化性能研究[J].應(yīng)用化工，2015，44（6）：1000-1003.

[4] Zhu Z ，Tang X ，Kang S .Constructing of the magnetic photocatalytic nanoreactor MS@FCN for cascade catalytic degrading of tetracycline.Journal of Physical Chemistry C 2016，120：27250-8.

[5] Zhu Z ，Lu Z ，Zhao X .Surface imprinting of a g-C3N4 photocatalyst for enhanced photocatalytic activity and selectivity towards photo-degradation of 2-mercaptobenzothiazole.RSC Advances 2015，5：40726-36.

[6] Karthikeyan KG ，Meyer MT .Occurrence of antibiotics in wastewater treatment facilities in Wisconsin，USA.Science of the Total Environment2006，361：196-207.

[7] Zhu Z ，F(xiàn)an W ，Liu Z ，Yu Y ，Dong H ，Huo P ，Yan Y .Fabrication of the metal-free biochar-based graphitic carbon nitride for improved 2-Mercaptobenzothiazole degradation activity.Journal of Photochemistry & Photobiology A Chemistry2018，358：284-93.

[8] Guo J ，Li S ，Duan L .Preparation of Si doped molecularly imprinted TiO2 photocatalyst and its degradation to antibiotic wastewater.Integrated Ferroelectrics2016，168：170-82.

[9] Yan DY ，Lam FL .Development of a novel photocatalyst for the advanced antibiotic oxidation of wastewater.Springer Plus 2015，4：1-2.

[10] Palominos RA ，Mondaca MA ，Giraldo A .Photocatalytic oxidation of the antibiotic tetracycline on TiO2 and ZnO suspensions.Catalysis Today 2009（144）：100-5.

課題名稱：基于抗生素類廢水高效去除光催化納米反應(yīng)器的設(shè)計及其催化性能研究，編號：202001ND，單位：通化師范學(xué)院。