g-C3N4/CdS纳米棒复合光催化剂的制备及其光催化性能

彭文毫, 陈卓君

(广东省湛江卫生学校，广东 湛江 524037)

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g-C3N4/CdS纳米棒复合光催化剂的制备及其光催化性能

彭文毫*, 陈卓君

(广东省湛江卫生学校，广东 湛江 524037)

采用简单的水热法制得CdS纳米棒，采用溶剂热法制得g-C3N4/CdS纳米棒复合光催化剂(1)，其结构和性能经SEM， XRD和UV-Vis(DRS)表征。探究了1在可见光作用下光催化降解模拟有机污染物甲基橙的性能。结果表明：在可见光作用下，与纯CdS纳米棒光催化剂比较，1的催化活性明显提高，稳定性显著增强。

硫化镉; 纳米棒; 氮化碳; 光催化; 稳定性； 制备

环境污染是困扰当今世界经济发展的重大问题。1976年，Cary等[1]对多氯联苯的光催化研究发现，在TiO2的浊液中,经紫外线照射0.5 h，多氯联苯(50 ug·L-1)可全部脱氯。此后，光催化降解技术尤其是光催化氧化法作为一种水处理技术，引起了众多研究者的重视[2-5]。

CdS是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,其禁带宽度为2.7 eV,具有独特的光电化学性能,广泛应用于光伏电池、光敏器件、传感器、激光器、非线性集成光电器件、光裂解水制氢、光催化降解大气及水污染等多个领域[6-8]。其性能与晶粒尺寸和形状等密切相关，因此其研究引起了广泛关注。然而，CdS自身存在的一些缺陷限制了其在产业中的应用。例如CdS成核速率快，容易团聚成不规则的大尺寸颗粒，形貌不可控和光催化过程中容易失活等。

近年来，g-C3N4因具有密度小、硬度大、耐磨性好、化学性质稳定、生物适应性强及特殊的光和电化学性能而被广泛关注[9]。自2009年，Wang等[10]报道g-C3N4具有良好的光催化性能以来，拉开了g-C3N4非金属可见光催化剂研究的序幕，相继出现很多有关类似的研究工作报道[11-16]。

本文采用水热法制备CdS纳米棒，再用溶剂热法将g-C3N4沉积在硫化镉的表面制备不同质量比的g-C3N4/CdS复合光催化剂(1)，其结构和性能经SEM， XRD和UV-Vis(DRS)表征。探究了1催化降解模拟有机污染物甲基橙的性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

UV-2500型紫外可见分光光度计；UV-3010型分光光度计； LEO1530VP型扫描电子显微镜； X’Pert Pro MPD型X-射线衍射仪； XPS-VII型光催化反应仪。

所用试剂均为分析纯；实验用水为自制去离子水。

1.2 制备

(1) CdS纳米棒的制备

在反应瓶中依次加入CdBr2·4H2O 2.410 g(0.01 mol)，硫脲0.799 g(0.015 mol)，乙二胺70 mL和聚乙二醇2.503 g，于室温反应20 min；将反应液转至内衬四聚氟乙烯的反应釜(100 mL)，于200 ℃干燥箱里反应24 h。冷却至室温，所得样品进行离心分离，分别用去离子水(3×20 mL)和无水乙醇(3×20 mL)洗涤，于80 ℃干燥12 h得黄色粉末CdS纳米棒约1.4 g备用。

(2) 1的制备

将CdS 0.400 g分别加入含单氰胺0.004 g、 0.008 g、 0.020 g、 0.040 g的溶液(60 mL)中，快速搅拌20 min；将反应液转至内衬四聚氟乙烯的反应釜(100 mL)，于200 ℃干燥箱里反应24 h。冷却至室温；所得样品进行离心分离，沉淀物分别用去离子水(3×20 mL)和无水乙醇(3×20 mL)洗涤,于80 ℃干燥12 h，所得产品分别记为CC-0、 CC-1、 CC-2、 CC-5、 CC-10。

1.3 性能测试

1.3.2 SOP培训法 每月由护士长或培训教师按SOP教材统一培训1次，带教老师及培训学员均必须严格按SOP要求在临床工作中教学及操作，并有护士长及培训教师进行监督。

光催化活性检测在XPS-VII型反应装置上进行。500 W氙灯为紫外-可见光光源，使用自制滤液吸收紫外光源得可见光光源，用2 mol·L-1NaNO2滤液吸收波长低于400 nm的光[17]。该溶液层位于灯管与循环冷却水之间的夹层，经水层进一步吸收紫外光后，使得紫外光吸收率>98%。将1 20 mg加入200 mL 甲基橙(MO)溶液(20 mg·L-1)中，暗室中超声分散15 min，为了达到脱附-吸附平衡，在开灯前，先在暗室中磁力搅拌吸附1 h，并以200 mLmin-1通入空气，然后在室温下进行光催化反应。每隔30 min取样一次，每次溶液的体积为8 mL，取得的悬浮液在高速离心机中离心10 min以去除溶液中悬浮着的催化剂，取上层清液测试吸光度。甲基橙的脱色效率可以通过X%=(A0-A)/A0×100%计算得到，其中A0为20 mg·L-1MO在465 nm处的吸光度，A为不同时间取出样品MO的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 表征

(1) SEM

图1为纯CdS粉末和不同g-C3N4含量(a～e依次对应g-C3N4质量分数为0%、 1%、 2%、 5%和10%)的1的SEM图。由图a可知，纯CdS呈棒状，表面光滑，棒长约500 nm,直径约80 nm， C3N4含量为1%时(b)， C3N4呈一小团附在棒上面，而不是呈薄膜包着CdS纳米棒，可能是因为g-C3N4含量太少；g-C3N4含量为2%时(c)，有少量g-C3N4薄膜附在CdS纳米棒上，大部分g-C3N4还是呈团状；g-C3N4含量为5%时(图d)，大部分g-C3N4呈现比较厚一点的膜状附在CdS表面，极少一部分的C3N4呈现团状；但是当g-C3N4含量为10%时(e)，团状g-C3N4与棒状CdS共存且比例大约相同。

图 1 不同氮化碳含量1的SEM图*Figure 1 SEM of 1 with different carbon nitride content*(a)CC-0; (b)CC-1; (c)CC-2; (d)CC-5; (e)CC-10

(2) XRD

图2为不同氮化碳含量1样品的XRD图。衍射峰在2θ值依次为26.4°、 43.6°和51.9°左右，所有衍射峰都可以归属于立方相CdS(JPCdS 80-0019)[14-15]。而g-C3N4的晶面衍射峰在27.7°左右，会与CdS的衍射峰有所重合，将(b)、 (c)、 (d)、 (e)与(a)相比，在27°左右的衍射峰的强度明显有很大的变化，也可以确定样品中存在的团状物质或者膜状物质为g-C3N4。但是衍射峰的间距变化不大，说明样品中存在g-C3N4。

2θ/(°)图 2 不同氮化碳含量1样品的XRD图*Figure 2 XRD of 1 with different carbon nitride contents*(a)CC-0; (b)CC-1; (c)CC-2; (d)CC-5; (e)CC-10。

(3) DRS

2.2 光催化性能

图4为光照10 min， g-C3N4质量分数为0%、 1%、 2%、 5%和10%复合光催化材料对甲基橙的光降解效率，当CdS表面附有g-C3N4时，且含量分别为1%、 2%、 5%和10%时，光降解效率分别为79%、 90%、 98%和92%。这表明当附有g-C3N4薄膜时，光降解效率会明显提高，但是并不是g-C3N4含量越高，光降解效率就越大。即在可见光作用下，样品光催化降解甲基橙的效果，有一段适宜的g-C3N4的含量区间。当氮化碳含量为5%左右时， g-C3N4/CdS复合光催化材料的光降解效率相对要更好。光催化剂的稳定性是评价光催化剂的一个重要因素。图5为样品CC-5三次循环光催化降解甲基橙效果图。由图5可见，经过三次循环实验后，CC-5光催化活性几乎没有下降，这充分说明1具有良好的稳定性。

λ/nm图 3 1的紫外-可见漫反射光谱(DRS)图*Figure 3 UV-Vis(DRS) of 1 with different carbon nitride contents*(a)CC-0; (b)CC-1; (c)CC-2; (d)CC-5; (e)CC-10。

Time/min图4 在可见光作用下1光催化降解甲基橙效果图*Figure 4 Comparison of the photocatalytic activities of 1 for the degradation of MO under visible light irradiation*(a)CC-0; (b)CC-1; (c)CC-2; (d)CC-5; (e)CC-10。

2.3 光催化机理

基于上述分析，我们就CdS和1在可见光作用下的机理进行了分析，如图6所示。理论计算表明，g-C3N4的价带和导带分别位于-1.12 eV和1.57 eV[10]，而CdS的价带和导带分别位于-0.55 eV和1.88 eV。CdS和g-C3N4在能带上具有良好的匹配性，从而在热力学条件有利于光生电子的产生和转移。在可见光作用下，两种半导体都能被激发产生光生电子和空穴。由于存在电势差异，g-C3N4产生的光生电子转移到CdS的导带上，而CdS产生的光生空穴转移到g-C3N4的价带上，从而有效促进光生电荷的有效分离。

Time/min图5 在可见光作用下所得样品CC-5三次循环光 催化降解甲基橙效果图Figure 5 Cycling three times for the photocatalytic degradation of MO in the presence of CC-5 under visible light irradiation

图6 在可见光作用下CdS和g-C3N4的表面光 生电子与空穴分离和转移机理图Figure 6 Scheme for electron-hole separation and transport at the visible-light-driven organic-inorganic composites photocatalyst interface of CdS and g-C3N4

采用水热法和溶剂热法，将g-C3N4沉积在硫化镉纳米棒的表面，制备不同质量比的g-C3N4/CdS复合光催化剂(1)，探究了1在可见光作用下的催化降解甲基橙的性能，光催化的效果最好的是g-C3N4/CdS-5。与纯CdS催化剂相比，1的光催化活性和稳定性显著增强。该催化剂的制备为设计制备新型异质结复合光催化剂提供新思路。

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Preparation of g-C3N4/CdS Nanotube Composite Photocatalyst and Its Photocatalytic Performances

PENG Wen-hao*, CHEN Zhuo-jun

(Zhanjiang Health School of Guangdong, Zhanjiang 524037， China)

CdS nanorods were prepared by a simple hydrothermal method, the g-C3N4/CdS nanorods composite photocatalysts(1) were obtained by solvothermal method from CdS nanorods. The structures and properties were characterized by SEM, XRD and UV-Vis(DRS). The photocatalytic activity of 1 for the degradation of MO under visible light was investgated. The results showed that compared with pure CdS nanorods photocatalyst, the photocatalytic activity of 1 was obviously improved, stability significantly was enhanced.

cadmium sulfide; nanorod; carbon nitride; photocatalysis; stability； preparation

2016-09-08;

2017-03-31

彭文毫(1982-)，女，汉族，湖南娄底人，硕士，主要从事半导体光催化剂的研究。 E-mail: wenhao24@163.com

O614.24+2

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.06.16227