类石墨相氮化碳的制备及光催化降解2,4,6-三氯苯酚的研究

李海 张文康 樊旅泽 程昊

摘 要：本文采用热聚合法制备了类石墨相氮化碳（g-C3N4）光催化剂，利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对光催化剂的结构和形貌进行了表征，通过2，4，6-三氯苯酚溶液的光催化降解评价光催化剂的光催化性能。研究结果表明，试验成功地制备了类石墨相g-C3N4光催化剂，其具有较好的光催化性能。其中，以尿素为前驱体在590 ℃下煅烧2 h时，类石墨相g-C3N4光催化剂的光催化活性最好，可见光照射180 min，对2，4，6-三氯苯酚的降解率达到92.60%。

关键词：类石墨相g-C3N4;光催化剂;降解;2，4，6-三氯苯酚;尿素

中圖分类号：TB33;O643.36 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0123-03

Abstract： In this paper， a graphite-like carbon nitride （g-C3N4） photocatalyst was prepared by thermal polymerization， the structure and morphology of the photocatalyst were characterized by X-ray diffraction （XRD） and scanning electron microscopy （SEM）， and the photocatalytic performance of the photocatalyst was evaluated by the photocatalytic degradation of 2，4，6-trichlorophenol solution. The research results showed that the experiment successfully prepared the graphite-like phase g-C3N4 photocatalyst， which had good photocatalytic performance. Among them， the graphite-like phase g-C3N4 photocatalyst had the best photocatalytic activity when calcined with urea as the precursor at 590 ℃ for 2 h， and the degradation rate of 2，4，6-trichlorophenol was reached after 180 min of visible light irradiation 92.60%.

Keywords： graphite-like phase g-C3N4;photocatalyst;degradation;2，4，6-trichlorophenol;urea

光催化降解技术是处理有机污染物的有效方法之一，一直备受科研工作者的关注[1]。光催化剂可以在光照条件下将有机物降解，是光催化降解技术的核心[2]。近年来，利用取之不尽、用之不竭的太阳光来降解有机污染物，引起了人们极大的兴趣[3]。

石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种典型的聚合物半导体，其不含金属元素，由氮元素和碳元素组成，相比于氮化碳其他的同素异形体，制备简单，具有良好的热稳定性（600 ℃）以及化学稳定性（不溶于酸或碱），能产生可见光响应，引起科研工作者的广泛关注[4]。自2009年Wang等将其运用于光催化水解制氢并取得突破性成果后，g-C3N4的光催化性能被科学家不断发掘及利用[5]。人们可以采用热聚合富氮前体的方法制备g-C3N4，常用的富氮前体有尿素、双氰胺、三聚氰胺和硫脲等，前驱体的不同使得g-C3N4的最终形貌及光催化性能有所不同[6]。GE等人通过在550 ℃下煅烧氰胺得到g-C3N4纳米片，在可见光下，其光催化性能尤为突出[7]。

本文以尿素和双氰胺为前驱体，采用热聚合法制备了类石墨相g-C3N4，利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对光催化剂进行了表征，研究了可见光下类石墨相g-C3N4光催化降解2，4，6-三氯苯酚有机污染物的能力，并讨论了其光催化机理。

1 试验部分

1.1 试剂

尿素、双氰胺、一水合柠檬酸、罗丹明B、2，4，6-三氯苯酚购自西陇化工股份有限公司;无水乙醇购自成都市科隆化学品有限公司;试验用水为去离子水。

1.2 样品的制备

将6.5 g尿素和双氰胺在550 ℃下煅烧（升温速率8 ℃/min） 2.0 h，研磨，得到C3N4。将2.627 g柠檬酸和3.000 g尿素溶于60 mL去离子水，搅拌10 min，转移至50 mL三口烧瓶，在160 ℃下反应8 h，离心，用乙醇洗涤，在75 ℃下干燥，得到氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）。将0.1 g C3N4加入10 mL去离子水中，搅拌10 min，超声1 h，再加入N-GQDs，超声5 min，搅拌24 h，在75 ℃下干燥，研磨，得到类石墨相氮化碳（g-C3N4）。

1.3 光降解性能测试

首先配制50 mg/L的罗丹明B溶液和2，4，6-三氯苯酚溶液备用，然后将0.05 g的N-GQDs/g-C3N4置于50 mL 50 mg/L 罗丹明B和2，4，6-三氯苯酚溶液中，在黑暗环境下搅拌30 min，以达到吸附-脱附平衡。以500 W氙灯为光源，光源距反应管20 cm，每隔30 min取一次样，离心，取上层清液，用高效液相色谱测2，4，6-三氯苯酚的含量，评价类石墨相g-C3N4的光催化性能。根据式（1）计算降解率。

式中：[c0]为降解前2，4，6-三氯苯酚浓度;[ct]为降解[t]时间的2，4，6-三氯苯酚浓度;[α]为降解率。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1是以尿素为前驱体、负载3%和5%的N-GQDs制备的类石墨相g-C3N4的XRD图。由图1可知，在13.1°和27.5°处出现的衍射峰分别对应g-C3N4的面与面间堆积的晶面和层与层间堆积的晶面的衍射峰，但是在22°处出现的衍射峰属于N-GQDs吸收峰，证明成功制备了类石墨相g-C3N4[8-9]。

图2是以双氰胺为前驱体、负载3%和5%的N-GQDs制备的类石墨相g-C3N4的XRD图。由图2可知，在13.1°和27.5°处出现了衍射峰，但没有其他峰出现，原因可能是N-GQDs的负载量较少[8]。

2.2 SEM分析

图3是以尿素和双氰胺为前驱体、负载N-GQDs制备的类石墨相g-C3N4的SEM图。如图3所示，以尿素为前驱体制备的类石墨相g-C3N4呈颗粒状，而以双氰胺为前驱体制备的类石墨相g-C3N4呈片状结构，较为疏松。经分析，原因可能是在升温过程中，尿素和双氰胺的分散性有所提高，这样制备的类石墨相g-C3N4具有更大的比表面积，有更好的光催化效果[9]。

2.3 光催化性能

图4是2，4，6-三氯苯酚的标准曲线，由图4可知，标准曲线方程为[y]=158 4.1[x]-1.240 9，[R2]=0.997 8，所以，标准曲线在浓度区间0.001～0.100 g/L的线性良好。

图5和图6是以尿素为前驱体在550 ℃和590 ℃下煅烧制备的类石墨相g-C3N4降解2，4，6-三氯苯酚溶液图，由图5可知，550 ℃时的降解率是90.92%，590 ℃时的降解率是92.60%。

图7和图8是以双氰胺为前驱体在550 ℃和590 ℃下煅烧制备的类石墨相g-C3N4降解2，4，6-三氯苯酚溶液图。由图7可知，550 ℃时的降解率是85.40%，590 ℃时的降解率是87.00%。

由图5至图8可知，当前驱体一样时，在590 ℃下催化剂的催化性能比550 ℃下的好，以尿素为前驱体制备的光催化剂比以双氰胺为前驱体制备的光催化剂的催化性能好，并在光催化2 h时降解效率变小，只是变动很小。

3 结论

本研究采用热聚合法成功制备了类石墨相g-C3N4光催化剂。类石墨相g-C3N4光催化剂具有较好的光催化活性，其中，以尿素为前驱体在590 ℃下煅烧制备的类石墨相g-C3N4光催化剂的光催化性能最好，可见光照射180 min，对2，4，6-三氯苯酚的降解率达到92.60%。

參考文献：

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