Page 69 - 《精细化工》2020年第4期
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第 4 期                       周   进，等: g-C 3 N 4 /CQDs 光催化材料的制备及性能                         ·703·


                 石墨相氮化碳（g-C 3 N 4 ）是一种近似石墨烯的                   厂；浓硫酸（质量分数 98%），AR，信阳市化学试
            平面二维片层结构、具有良好的共轭化学键结构的                             剂厂；浓硝酸（质量分数 68%）、氢氧化钠，AR，
            非金属半导体光催化材料。2009 年，Wang 首次报                        国药集团化学试剂有限公司；三聚氰胺，化学纯，
            道发现 g-C 3 N 4 用于可见光催化水解制氢，具有良好                     天津市光复科技发展有限公司；罗丹明 B(Rh  B)，
            的化学稳定性，g-C 3 N 4 被认为是一种非常有应用前                      AR，天津市北精细化学品开发有限公司。
            景的光催化材料        [1-3] 。然而，g-C 3 N 4 比表面积小，光             DF-101S 型集热式恒温加热磁力搅拌器，河南
                                                     [4]
            生电子空穴复合率高，导致其光催化效率低 。为                             省予华仪器有限公司；XL-1 型马弗炉，常州市方嘉
            了解决这些问题，人们提出了许多策略以提高                               电子仪器有限公司；101-2AB 型电热鼓风干燥箱，
            g-C 3N 4 的量子效率，主要包括与其他半导体复合               [5-7] 、  天津市泰斯特仪器有限公司；KQ-100E 超声波仪，
                                        [9]
                           [8]
            贵金属表面沉积 、染料光敏化 以及通过蚀刻扩大                            昆山市超声仪器有限公司；50  mL 反应釜，威海汇
            g-C 3 N 4 的表面积 [10] 等方法，以增强可见光吸收和实                 鑫化工机械有限公司；GG-17 型光催化反应器，上
            现光生电子空穴对高效分离，改善其光催化活性；                             海季光特种照明电器厂；721 型可见光分光光度计，
            但这些方法要么引入重金属离子，造成环境二次污                             上海佑科仪器仪表有限公司；FEI Nova 400 Nano 型
                                                               场发射扫描电子显微镜（SEM），美国 FEI 有限公司；
            染，要么操作过于复杂。因此，探索一种新的 g-C 3 N 4
            的改进方法，对于光催化理论研究和在光催化领域                             JEM-2100 UHR 型高分辨透射电子显微镜（TEM），
            的普及应用具有重要意义。                                       日本电子（JEOL）公司；X Pert Pro MPD 型 X 射线
                 碳量子点（CQDs）是一种尺寸小于 10 nm 的零                    衍射仪（XRD），荷兰 Philips 公司；VERTEX70 型
            维碳纳米材料，由无定形至纳米晶核和典型的类石                             傅里叶红外变换光谱仪（FTIR），德国 Bruker 公司；
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            墨的 sp 杂化碳或类金刚石的 sp 杂化碳构成。近年                        CARY  300 型紫 外 - 可见 漫反射光 谱仪（ UV-
            来，CQDs 以其尺寸小、低毒、水溶性、光化学稳                           Vis/DRS），美国安捷伦公司；Escalab 250Xi 型 X 射
            定性高、导电性好等独特特性，在生物技术、传感                             线光电子能谱仪（XPS），美国赛默飞世尔公司；
            器、化学发光和电催化中得到应用                 [11-12] 。此外，由      ASAP 2020 型 BET 分析仪，美国麦克仪器公司。
            于 CQDs 的量子效应，赋予其独特的光诱导电子转                          1.2    样品的制备
                                                                   采用化学氧化法制备 CQDs           [16] 。取 0.1 g 焦炭粉
            移特性和不同的表面发射追踪性能，是光催化应用
            领域的一种理想材料。文献已报道，WANG 等                      [13]   （粒度小于 0.1 mm），加入 16 mL 混合酸，其中混
            制备 的 TiO 2 -CQDs 、 SUN 等     [14]  制备 的 CQDs/      合酸为浓硫酸和浓硝酸按体积比 3∶1 配制，在 90 ℃
            Bi 2 MoO 6 和 QU 等 [15] 制备的 TiO 2 /BiOI/CQDs，均采     下，充分搅拌反应 8 h。待反应结束后，经冷却、离
                                                               心和过滤处理，取上层清液，用 5 mol/L NaOH 溶液
            用 CQDs 为活性组分来制备复合光催化剂，用于提
                                                               中和调至 pH=7，经相对分子质量 3500 透析袋透析
            高传统光催化剂对于光生电子和空穴的分离效率以
                                                               和真空冷冻干燥，得到纯化的暗黄色粉状 CQDs，
            及增强光催化剂的吸附能力。因此，利用 CQDs 为
                                                               产率为 35%；取 CQDs于容量瓶中配制成 5 g/L CQDs
            活性组分，借助其优异的电子转移和储能性能，有
                                                               溶液备用。
            望解决 g-C 3 N 4 比表面积小和光生电子空穴复合率高
                                                                   采用高温热解法       [17-18] 制备 g-C 3 N 4 。取三聚氰胺
            等缺点，以及促进有机染料的吸附降解。
                                                               10 g（0.08 mol）置于带盖的小坩埚中，放置于马弗
                 基于此，本文拟采用低成本的焦粉和三聚氰胺
                                                               炉中以 10  ℃/min 的速率升温到 550  ℃，煅烧 2 h，
            为原料，用化学氧化法和高温热解法，分别制得
                                                               待冷却后取出，用研钵研磨，得到淡黄色固体粉末，
            CQDs 和 g-C 3 N 4 为前驱体，再通过简单的水热法来
                                                               即得 g-C 3 N 4 。
            制备不含重金属、绿色无污染的 g-C 3 N 4 /CQDs 复合
                                                                   称取 1.0 g 上述所制 g-C 3 N 4 于 50 mL 小烧杯中，
            材料。在对样品的形貌、结构进行表征的基础上，
                                                               加入适量蒸馏水作溶剂，分别加入 5 g/L CQDs 溶液
            通过模拟太阳光降解罗丹明 B(Rh  B)的实验，系统
                                                               0、2、3、4、5、6 mL，以考察 CQDs 量的影响，即
            考察其作为光催化材料的催化活性及循环稳定性，
                                                               以 g-C 3 N 4 为基准 CQDs 质量分数分别为 0、1.0%、
            以期为该复合材料在光催化及环境污染治理领域的
                                                               1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，所得样品分别标记为
            进一步开发应用提供参考。
                                                               g-C 3 N 4 /CQDs-1~6。控制溶液体积 20  mL，超声
            1   实验部分                                           30 min 分散均匀后，倒入聚四氟乙烯反应器中，调
                                                               节干燥箱温度，在 180  ℃下水热复合 12 h，反应结
            1.1    试剂与仪器                                       束后经过滤、干燥、研磨得到一系列不同 CQDs 含
                 焦粉，工业级（质量分数 99%），武汉武钢焦化                       量的 g-C 3 N 4 /CQDs 复合催化剂。
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