3D Gr/g-C3N4复合材料的制备及光催化还原铀试验研究

2019-10-18朱业安卢长海熊川宝舒欣杰陈禹铮崔瑾昊婕谢宗波乐长高

湿法冶金 2019年5期

朱业安，吴煕，卢长海，熊川宝，舒欣杰，陈禹铮，崔瑾昊婕，谢宗波，乐长高

(1.东华理工大学化学生物与材料科学学院，江西南昌 330013；2.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西南昌 330013)

石墨型氮化碳(g-C3N4)是一种非金属可见光光催化半导体材料，其禁带宽度为2.7 eV，可吸收太阳光谱中波长≤455 nm的蓝紫光[9-10]，已被用于光催化产氢、产氧、降解有机污染物及有机选择性合成等领域[9,11-17]，在热力学上有光催化还原U(Ⅵ)至U(Ⅳ)而去除U(Ⅵ)污染的潜力。但g-C3N4也存在一些不足[18-19]：有一定结构缺陷，离域共轭体系较弱，易导致产生光生载流子的激子结合能高、光生电子-空穴复合率高，量子利用率低等问题。为实现高效光催化还原U(Ⅵ)，需拓宽g-C3N4的可见光吸收范围和强度，提高光生电子迁移和利用率，调控价带和导带电位，将低密度太阳能转化为高密度化学能或直接还原U(Ⅵ)。同时，g-C3N4具有较高的化学稳定性、低成本、无毒、易改性和较高光催化性能等优点，目前广泛应用于光催化降解有机污染物的研究中，但g-C3N4可见光利用率低,比表面积小,量子效率低,使其发展受到阻碍。

1 试验部分

1.1 催化剂制备

3D Gr的制备：将4 g碱式碳酸镁(MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)放入石英管，置于节能管式炉中，在流速为200 mL/min的流动氮气气氛中，以10 ℃/min的速度加热至800 ℃，再以66.66 μL/min的进料速度通过注射泵将苯引入管式炉中，进料时间为30 min；之后冷却至室温。所制备样品在6 mol/L HCl溶液中回流 6 h去除MgO模板，并用去离子水洗涤。最后，在60 ℃下干燥24 h，记为3D Gr。

3D Gr/g-C3N4的制备：将10 g尿素溶于25 mL去离子水中，加入一定量3D Gr后超声处理20 min，磁力搅拌30 min；将溶液在60 ℃下干燥24 h，得白色固体；白色固体放入坩埚中，以5 ℃/min的速度升温至540 ℃，保温2 h后自然降至室温，得淡灰色粉末状3D Gr/g-C3N4复合材料。

1.2 光催化活性测试

1.3 样品表征与性能测试

采用D/Max-RB型X-射线衍射仪分析样品的物相组成，采用FESE JEOL-JSM-7001F高分辨透射电镜(HRTEM)观察样品形貌，采用普析TU-1901型双束紫外-可见光光度计分析紫外可见漫反射光谱，采用RTS2型拉曼光谱仪分析物质组成，采用辰华电化学工作站(CH-1660)测定光电流性能。

2 试验结果与讨论

2.1 3D Gr/g-C3N4的形貌

3D Gr/g-C3N4的扫描电镜分析结果如图1所示，CN代表g-C3N4。可以看出：3D Gr为笼状结构，g-C3N4为层状结构，3D Gr与g-C3N4之间结合紧密；3D Gr/g-C3N4具有单体g-C3N4的块状层状结构，同时笼状CNCs附在g-C3N4的附近，表现出良好的复合性，大大提高了g-C3N4的比表面积。

图1 3D Gr/g-C3N4的扫描电镜分析结果

2.2 3D Gr/g-C3N4的物相组成

3D Gr/g-C3N4的X射线衍射分析结果如图2所示。可以看出：3D Gr只有26°附近的宽峰，这归属于石墨烯的(002)晶面；而g-C3N4在13.1°和27.5°处有特征峰，分别对应g-C3N4(100)晶面的层内均三嗪杂环化合物π共轭体系及g-C3N4(002)晶面规则类石墨层间堆积结构；而单体3D Gr在26°处有(002)衍射晶面衍射峰，表明3D Gr具有一定石墨结构；而3D Gr/g-C3N4复合材料的(002)晶面衍射峰强度有一定程度降低，这可能是3D Gr的加入导致g-C3N4的聚合不完全，同时也进一步说明样品制备成功。