TiO2/g-C3N4光催化材料的设计, 制备及光催化性能研究

李晨雨 郭庆杰 王俏俏 徐亚珍 张忠祥

【摘  要】利用尿素作為氮源，和二氧化钛混合，采用高温煅烧和密封热解的方法制备TiO2/g-C3N4光催化材料。之后使用红外光谱仪、X射线仪以及电子显微镜对TiO2/g-C3N4进行材料结构性状研究，并分析了它的光催化性能。结果表明，二氧化钛成功的同石墨相氮化碳结合，且制备出的复合光催化材料的降解性能更优。因为其具备较低的光生载流子复合速率，所以光催化性能大大加强。

【关键词】二氧化钛;石墨相氮化碳;光催化性能

Abstract： TiO2 / g-c3n4 photo catalyst was prepared by using urea as nitrogen source， mixing with titanium dioxide， calcining at high temperature and sealed pyrolysis. After that， the structure of TiO2 / g-c3n4 was studied by infrared spectrometer， X-ray instrument and electron microscope， and its photo catalytic performance was analyzed. The results showed that TiO2 was successfully combined with graphite carbon nitride， and the degradation performance of the composite photo catalyst was better. Because of its low recombination rate， its photo catalytic performance is greatly enhanced.

Key words： titanium dioxide; graphite phase carbon nitride; photocatalytic performance

引言

当前社会、经济不断发展，工业的进步速度人们生活越来越便捷的同时，也使得环境问题成为了国家的心头病。比如在许多行业中，在生产时皆应用罗丹明B（RhB）作为燃料，RhB如果不能被很好地处理降解掉，就会成为一种污染源，危害人类的健康，同时也会对环境造成破坏。所以需要找到一种能够更好的降解掉RhB的材料和处理方法。

二氧化钛（TiO2）是一种具备化学性质稳定、无毒、成本低等诸多优点的光催化材料，但也存在只响应紫外光、光生载流子复合严重的缺点。石墨相氮化碳（g-C3N4）则是层状结构无机非金属材料，具备耐高温、耐腐蚀、且可调节能带结构的优点，同时能吸收一定的可见光，价格也较为低廉，成为了能源和环境领域的研究新热点。但同时石墨相氮化碳存在易聚团，光生电子-空穴易复合的缺陷，限制了它的应用。

两种材料都属于光催化材料，而太阳光则是清洁、无污染、近乎无限的能源，是一种绿色处理技术，使得此复合材料制备和降解技术具有更大的发展使用前景。本文就以尿素混合TiO2，使用高温煅烧和密封热解的办法制备出TiO2/g-C3N4复合光催化材料，并对其进行结构分析以及光催化降解能力的研究。

1.实验设计

1.1原料与仪器

P25型纳米二氧化钛，产自Degussa公司;尿素：分析纯，产自天津大茂化学试剂厂;亚甲基蓝（MB）：分析纯，产自国药集团化学试剂有限公司;罗丹明B（RhB）：分析纯，产自国药集团化学试剂有限公司。

傅立叶红外光谱仪：IR Prestige-21，日本岛津公司;X射线衍射仪：XRD，BrukerD8型，Bruker公司;马弗炉：KSL-1600X，洛阳涧西耐火材料实验厂;电子显微镜：SEM，Quanta250型，美国FEI公司;光化学反应发生仪：DGY-1A，南京多助科技发展有限公司。

1.2 TiO2/g-C3N4复合光催化剂的制备

在制备TiO2/g-C3N4之前，应当先以尿素制备成g-C3N4（石墨相氮化碳）。称量40g尿素，将其置于坩埚中，然后使马弗炉将其加热，升温的速度保持在每分钟10摄氏度，直到温度到达550℃时停止升温，保持这个温度加热两小时。之后等待马弗炉自然冷却，温度达到室温时即可取出其中已被制成的石墨相氮化碳（g-C3N4，淡黄色固体状）。

制备完成g-C3N4后，就开始制备TiO2/g-C3N4。分别量取提前备好的纳米二氧化钛0.5g以及先前制取的g-C3N4，将两者混合均匀，之后使用锡纸密封好二者的混合物，将其放在马弗炉中，继续上一步骤中的操作，即以每分钟十摄氏度的速率升至550摄氏度，加热两小时，即可得到TiO2/g-C3N4复合光催化材料。

1.3测试与结构性状

利用实验室的X射线衍射仪对制成的TiO2/g-C3N4复合材料进行测试，测试其物相组成。使衍射仪步速保持在0.013°/s，扫面区域的角度在60°;而后换为傅里叶红外光谱仪对材料进行基团结构测试，测试前将复合材料烘干，量取TiO2/g-C3N4材料0.3克与2.7克的溴化钾混合，之后利用电子显微镜对其表面特征进行扫描查看，扫描电压保持为20V。

1.4光催化性能测试

使用光化学反应发生仪进行TiO2/g-C3N4对罗丹明B的光催化降解实验。

实验前，先量取50mgTiO2/g-C3N4复合材料，并把它混入罗丹明b溶液（50ml，1g/L）中，注意不使其被光照射。在实验过程中，需要每隔一段时间提取溶液进行测试，本研究以10分钟为间隔。提取出的溶液通过分离后提取出上清液进行透光率测试，溶液的降解率公式为：

其中，c0—溶液初始质量浓度;A0—初始吸光度;Ct—经过t时段光照后溶液的质量浓度;At—溶液在t时刻的吸光度。

2.结果与讨论

2.1 X射线测试结果分析

通过X射线衍射仪测量的TiO2/g-C3N4复合光催化材料的物相组成结果，即XRD谱图，如图1所示。

通过XRD谱图可以看出，CN（纯g-C3N4晶体）在衍射角度为27左右处出现了一次高峰，这个衍射峰是有π共轭平面的石墨发生堆积而导致的。从TCN（TiO2/g-C3N4复合材料）的曲线看，在25°处和27度处分别呈现为锐钛矿相和金红石相的衍射峰。对比两者的衍射曲线，tcn的衍射峰强度弱。

2.2红外光谱结果分析

通过傅里叶红外光谱仪对光催化材料的结构进行分析，测量得出的FT-IR谱图如图2所示：

有图分析可知，CN的表征吸收峰主要在1500cm和3450cm左右，分析有三臻环骨架吸收峰和c-n振动峰。而TCN的表征吸收峰同样也主要分布于这两种波数范围中，区别是TCN的吸收强度变高，这表示二氧化钛影响到氮化碳的震动。说明TiO2与g-C3N4已经成功复合成为新材料。

2.3电子显微镜结果分析

电子显微镜对g-C3N4和TiO2/g-C3N4的扫描结果如图3、4所示。

从图3中可以看出，g-C3N4的表征为层状结构且晶体内部充斥有很多空洞，切边缘部分呈现卷曲状;从图4可以看出，TiO2/g-C3N4复合过后形成的材料，在表面出现了沾染在晶体上的颗粒状二氧化钛，且分布均匀、结合密切，有利于光生载流子分离。

2.4光催化性能研究

使用TiO2/g-C3N4复合光催化剂催化降解罗丹明B，以300W的长弧氙灯作为光照来源，并将反应过程绘制成曲线图，最终结果呈现如图5所示。

通过对图5的观察可以发现，在使用光照之前的暗光环境下，进行了30分钟的吸附之后，TiO2/g-C3N4对于罗丹明B的吸附率要超过纯g-C3N4。这表示复合材料的孔隙率比纯g-C3N4要多。而进行50分钟的光照催化降解反應之后，从曲线结果可以看到TiO2/g-C3N4的降解程度接近100%，约在95%以上;而纯g-C3N4的降解程度在80%-85%之间。复合材料在降解效果方面的提升，直观体现了它的光催化性能。通过动力学方程可以对比光催化反应速率，公式为：

其中，C0、C同上;k—反应速率常数;t—降解反应的时间。

使用该方程可以得到复合材料的光催化速率拟合曲线，如图6所示。

由图可知，该拟合曲线与时间成正比线性关系，这表示TiO2/g-C3N4的光催化降解罗丹明B的过程是属于该方程的反应过程的。计算得到的光催化反应速率常数以及R2系数的结果，如表1所示。

纯g-C3N4与加入二氧化钛的TiO2/g-C3N4材料出现催化降解速率差异的原因，是TiO2/g-C3N4的光生载流子分离效率更高，导致催化降解的速率更快。

3.结语

本文将尿素高温加热生成纯g-C3N4，之后又将其与纳米状二氧化钛混合密封加热生成TiO2/g-C3N4复合材料，这种制备方法主要是为了更好区分两种材料，确保试验不受影响，一般在制备时将尿素与TiO2混合密封加热亦可得到TiO2/g-C3N4材料。

本文以X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪和电子显微镜对制备出的材料进行了结构和形貌的分析，并以罗丹明B作为降解底物，对比研究了纯g-C3N4和TiO2/g-C3N4的光催化降解性能。

在实验中X光衍射仪的谱相以及傅里叶红外光谱结果表示，本文的制备方法较为合理，纳米状TiO2和g-C3N4的结合程度较高。而在催化降解罗丹明B的反应过程中，反应速率也要超过纯氮化碳的催化，效果高出2.19倍。

参考文献

[1]冯胜雷，刘方华，付翔，郭慧，彭小英，宋军伟.TiO_2/g-C_3N_4光催化材料的制备及其可见光降解性能研究[J].化工新型材料，2020，48（11）：99-102+107.

[2]王晓. g-C_3N_4/TiO_2复合光催化剂的制备与光催化性质研究[D].青岛科技大学，2020.

[3]白苗苗，安小康，马向荣，孟宇.g-C_3N_4/TiO_2复合材料的制备及其光催化性能研究[J].榆林学院学报，2020，30（02）：10-14.

[4]周勃. 二氧化钛/石墨相氮化碳基复合光催化剂的制备及性能研究[D].吉林大学，2019.

[5]倪佳鑫. g-C_3N_4/TiO_2光催化剂的制备及可见光下降解水中TCH研究[D].哈尔滨工业大学，2019.

[6]安伟佳，徐子怡，邵化旭，刘磊，苗叶凡.g-C_3N_4/TiO_2复合光催化剂制备及活性研究[J].无机盐工业，2019，51（04）：81-85.

[7]闫玉梅. g-C_3N_4/TiO_2纳米复合材料的制备及其光催化性能研究[D].浙江理工大学，2019.

作者简介：李晨雨（2000.01-），男，河南商丘人，包头市昆都仑区内蒙古科技大学材料与冶金学院材料化学专业，本科生。

郭庆杰（1999.10-），男，河南焦作人，包头市昆都仑区内蒙古科技大学材料与冶金学院材料化学专业，本科生。

王俏俏（2000.03-），女，河南新乡人，包头市昆都仑区内蒙古科技大学材料与冶金学院无机非金属材料工程专业，本科生。

徐亚珍 （2001.02-），女，河南汝州人，包头市昆都仑区内蒙古科技大学土木工程学院土木工程专业，本科生。

张忠祥（1998.12-），男，河南商丘人，郑州市新郑市郑州升达经贸管理学院管理学院旅游管理专业，本科生。