红色氮化碳光催化剂的合成及其降解双酚A性能的考察

徐远国 马云

摘 要：本实验旨在科研实验基础上构建一个综合性的化学教学实验。1. 通过简单的煅烧法获得红色氮化碳光催化剂；2. 采用X射线衍射（XRD）光谱、红外（FTIR）光谱、紫外-可见漫反射（UVVis DRS）光谱等表征手段对红色氮化碳的组成、结构进行了分析；3. 以双酚A作为目标污染物、在模拟太阳光的光源（氙灯）照射下，研究红色氮化碳光催化去除无色污染物的能力。本实验的教学目的在于让学生学习和了解光催化的基本原理及相关知识，基本掌握制备光催化剂材料的方法（煅烧法），常用的材料测试手段，及光催化剂降解环境污染物性能的评价方法。

关键词：光催化；煅烧法；红色氮化碳；双酚A

众所周知，综合性的化学实验是由化学分支学科中的一些重要的实验方法和实验技术构成的。其包含的范围很广，涉及分析化学、无机化学和材料化学等。因此，学生要想掌握一定的实验操作技能，熟知各种实验设备的使用方法，必须通过相关实验课程的学习，才能达到基本要求，才能为将来处理化学方面的相关问题打下坚实的基础。为了激发学生对化学实验操作的兴趣，锻炼学生的学科思维能力，在遵循基本教学规律的前提下，本实验在科研实验的基础上实现了向教学实验的转变，如此也能更好地拓展他们的学科知识面，激发学生的学术潜力与科研水平。理论联系实际很重要，将所学的书本知识应用到实际生活中才能真正发挥学以致用的效果。最终对学生创新思维的培养都有一定的帮助。

近年来，光催化技术以其高效、绿色和有发展前景的策略一直受到研究者们的关注。迄今为止，光催化技术在光催化领域的应用已经很广泛，如光解水制氢、CO2还原及光催化杀菌等。就光催化技术而言，其核心是光催化剂。而传统的光催化剂，如TiO2、ZnO的禁带宽度比较宽且仅对紫外光响应，因此限制其实际应用。为了解决上述問题，需要开发新型的光催化剂，增强可见光的利用率进而提高其光催化能力。目前的研究表明，红色氮化碳这种光催化剂对可见光的吸收范围宽，能够提高光源的利用率增强光催化去除无色污染物的能力，并且该材料的结构比较稳定、价格低廉、绿色环保及制备方法简单。目前已经成为一种新型的光催化剂用于去除水体中的污染物。

在本实验中，使用价格相对便宜的尿素和草酸为原料，将两者搅拌混合均匀后，通过简单的煅烧法制备得红色氮化碳光催化剂。在XRD（X射线粉末衍射）、FTIR（红外）、UVVis DRS（紫外可见漫反射）等表征手段分析的基础上，对已制备的光催化剂样品进行了结构和光学性能分析。并且通过在可见光下去除无色污染物双酚A对光催化性能进行了评价。本实验的开展，不仅促进学生初步了解科研，还能够学到多种分析方法，为学生步入科研道路打下坚实的基础。

一、 实验部分

（一） 试剂和仪器

尿素、草酸及双酚A（BPA）；电子天平；程序升温马弗炉；X射线衍射仪；红外光谱仪；高效液相色谱仪（Agilent）。

（二） 光催化剂的表征分析

在X射线衍射仪（德国Bruker公司D8型）上进行所制备样品的晶体结构和纯度分析。通过紫外可见漫反射光谱（UV2450型（日本岛津））分析已制备催化剂的光学性能；催化剂的结构表征通过红外光谱（Nicolet Nexus 470红外光谱仪）进行分析，测试过程中用KBr压片。

（三） 光催化剂的制备

分别称取10 g尿素和0.4 g草酸放入研钵中，混合均匀后将其转入到坩埚中，随后置于马弗炉中进行反应。马弗炉升温速率为10℃/min直至升温到550℃，并且保持温度550℃ 2 h。最后，马弗炉降至室温时取出样品并收集所制备的红色氮化碳催化剂。

（四） 目标污染物溶液的配制

（1） 准确称量20 mg BPA试剂，将其置于500 mL的烧杯中；

（2） 向上述烧杯中加入200 mL去离子水，边超声边用玻璃棒搅拌直至BPA溶解；

（3） 将（2）中得到的溶液用玻璃棒引流至2 L的容量瓶中；

（4） 将玻璃棒和烧杯洗涤数次，并将洗涤液移入容量瓶直至定容至2 L，振荡摇匀；

（5） 拧紧容量瓶的瓶塞，再反复振荡摇匀数次。将已配制好的溶液贴上标签，记下溶液的名称、浓度及配制时间。

（五） 光催化降解性能评价

在可见光照射下通过去除无色污染物BPA来考察红色氮化碳材料的光催化降解性能。100 mL浓度为10 mg/L的双酚A（BPA）溶液通过使用100 mg红色氮化碳来进行降解。在光照之前，首先暗吸附30 min，实现吸附脱附平衡（催化剂与污染物）。接下来立即打开光源（300 W氙灯，420 nm滤光片），每隔0.5 h（共2小时），取4 mL降解液高速离心数分钟后，用滤膜过滤得BPA降解液。BPA溶液的去除结果使用高效液相色谱仪来分析，其中紫外检测波长为230 nm。根据朗伯比尔定律理论，可以对无色污染物（BPA）的去除率进行计算。其计算公式为：

去除率=（A/A0）×100%

其中A0、A分别为光催化降解前后无色污染物（BPA）在高效液相色谱上出峰的面积积分值。

二、 结果与讨论

已制备的催化剂样品为红色的粉末，通过XRD、FTIR、UVvisDRS等测试手段分析了催化剂的纯度、结构及光学性能。在氙灯光源模拟太阳光照射下考察红色氮化碳催化去除BPA的能力。从实验的结果很明显的可以看到，BPA溶液在催化剂存在的条件下被逐渐分解。其结果显示所获得的红色氮化碳材料在可见光照射下拥有较高的去除无色污染物的能力。

通过本实验的教学，使学生更好地了解光催化的基本原理及知识，并学习了催化剂的制备方法（煅烧法）；通过对催化剂及BPA等样品的称量，学会了规范使用电子天平；在配制BPA溶液（10 mg/L）的过程中，掌握了容量瓶定容的操作要领；同时学习了马弗炉升温程序设定的操作步骤；学会了红外测试的流程；能够使用紫外可见漫反射光谱进行分析；熟练使用高速离心机；分析和处理实验结果。

为了将实验结果形象直观地展现出来，学习新的作图方法和材料的表征分析，如红外光谱的分析，学生通过已学知识和查阅相关资料，可以分析样品的红外图谱，解释其红外振动吸收峰所对应的官能团，从而进一步了解红外这种表征手段；最重要的是，通过高效液相色谱来分析催化剂对BPA的降解能力，可以使學生更好地理解BPA的去除效果，并且学会使用色谱分析，同时锻炼学生的动手操作能力。最后，将高效液相色谱的结果作图，可以直观地看到红色氮化碳去除BPA的能力，使学生的作图技能得到锻炼。

光催化技术以高效、绿色等优点已经在实际环境中广泛用于处理水体中生物活性比较强（难降解）的污染物。而红色氮化碳作为一种新型、绿色的宽可见光响应范围的半导体光催化材料，目前已引起了很多研究者的关注。不仅在去除环境污染物方面拥有很大的潜力，而且在实现全解水方面有着很好的发展前景。构建这样一个以科研实验为基础的综合性实验，是为了使学生熟悉最新的光催化科研成果，发掘其创新性，进一步提升学生的创新思维能力。同时学习光催化材料的测试手段、分析方法及去除环境污染物的能力。进一步引导学生积极思考，学以致用，勇于创新。

参考文献：

[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.

作者简介：

徐远国，马云，江苏省镇江市，江苏大学化学化工学院。