石墨相氮化碳的制备及其对柠檬黄的光催化降解

党银萍，邓大双，何 平

(西华师范大学 化学化工学院，四川 南充 637000)

近年来,基于半导体的光催化技术引起了研究者们极大的关注。一方面，光催化技术可以直接利用清洁、经济、安全，取之不竭的太阳能，具备显而易见的优势。另一方面，光催化技术在能源领域和环保领域，如分解水产氢，还原CO2成有机物，污染物降解矿化，有机物合成，细菌杀灭，人工固氮等众多方面已有较多的研究，显示出巨大的应用前景[1]。其中新型的有机聚合物半导体光催化剂—类石墨相氮化碳(g-C3N4)，由于具有价格低廉、无毒、无污染、良好的热稳定性和化学特性等优点，使其成为光催化技术领域的研究热点。柠檬黄是一种人工合成的水溶性的偶氮染料，主要用于食品、饮料、药品及化妆品的着色，也用于羊毛、蚕丝的染色及制造色淀。但是，有关研究表明长期食用人工色素会影响儿童智力发育。因此，本文以三聚氰胺为原料, 采用高温缩聚的方法，合成光催化剂g-C3N4。通过XRD、FT-IR、SEM、UV-vis DRS表征手段对g-C3N4进行了表征，选择LY作为模型污染物质，评价了g-C3N4的光催化活性。结果表明，当光照时间为50 min时，g-C3N4对LY的降解率为90.3%。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

三聚氰胺；柠檬黄(LY)；无水乙醇；管式炉(OTF-1200X)；X-射线衍射仪(Ultima IV)；傅里叶红外光谱仪(Perkin-Elmar 2000)；扫描电子显微镜(JSM-6510LV)；紫外可见分光光度计(UV-2550)；紫外可见漫反射光谱仪(Shimadzu UV-3600)；电热鼓风干燥箱(ZX-101)；湘仪高速离心机(H1850)；磁力搅拌器(DF-101S)；超声清洗器(KQ-5200)；氙灯(CEL-HXF300)。

1.2 实验步骤

1.2.1 光催化剂g-C3N4的制备

称取5.0 g三聚氰胺置于带盖的石英舟中，将石英舟放入管式炉中，以2℃·min-1的升温速率升至550℃，并在550℃下保温4 h。待反应结束管式炉自然冷却到室温后，取出粗样品进行研磨，然后将研磨后的粉末用无水乙醇和蒸馏水交替洗涤并在60℃下干燥过夜。将干燥好的样品进行研磨，并记为g-C3N4。

1.2.2 样品的表征方法

使用X射线衍射仪(XRD)分析g-C3N4的晶型结构，测试范围为2θ=5～80°。傅立叶变换红外(FT-IR)光谱记录在Perkin-Elmar 2000型FTIR分光光度计上。使用扫描电子显微镜(SEM)分析g-C3N4的形貌。紫外可见漫反射光谱(DRS)分析g-C3N4对光的利用情况，使用BaSO4作为参考样品。

1.2.3 光催化测试

量取LY染料溶液(10 mg/L，50 mL)于150 mL的夹套烧杯中，放入磁力搅拌子，加入催化剂50 mg，在黑暗条件下搅拌30 min，使光催化剂g-C3N4与LY染料溶液之间达到吸附-脱附平衡。暗反应结束后，取3.5 mL混合液体离心，保留上层清液，记为t=0 min。打开氙灯光源，将电流调节至15 A，每隔5 min取3.5 mL混合液体进行离心，并保留上层清液，记为t=t min。通过紫外-可见分光光度计测量其上清液的吸光度。

空白对照实验量取LY染料溶液(10 mg/L，50 mL)于150 mL的夹套烧杯中，放入磁力搅拌子，不加催化剂，在黑暗条件下搅拌30 min，暗反应结束后，取3.5 mL LY染料溶液，记为t=0 min。打开氙灯光源，将电流调节至15 A，每隔5 min取3.5 mL LY染料溶液，记为t=t min。通过紫外-可见分光光度计测量染料溶液的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 g-C3N4的表征

图1所示为g-C3N4的XRD谱图。从图中可以看出，g-C3N4表现出两个不同的特征峰，位置分别为13.0 °(100)和27.3 °(002)。在13.7 °处的比较弱的特征峰为melon类物质(即CN衍生物)的层间堆积引起的特征衍射峰，在27.8 °处的较强的特征峰为共轭芳香族化合物的层间堆积引起的特征衍射峰[2]。

图1 g-C3N4催化剂的XRD图

图2 g-C3N4的FT-IR光谱图

图3 光催化剂g-C3N4的SEM图

图2为g-C3N4的FT-IR谱图。从图中可以看出，在3700～3000 cm-1范围内的宽峰对应于表面吸附水的N-H拉伸振动模式和O-H振动模式；在1650～1200 cm-1的范围内的吸收峰为tri-s-trizaine骨架伸缩振动，其中在1244 cm-1和1323 cm-1处的吸收峰是由于g-C3N4中杂环结构的C-N键伸缩振动造成的；811、738 cm-1处的吸收峰是三嗪杂环骨架的弯曲振动[3]。

图3所示为g-C3N4的XRD谱图。从图中可以看出，g-C3N4是一种不规则的片层状及块状结构，结构疏松多孔，有利于染料的吸附和降解。此外，疏松多孔的层状结构具有较大的比表面积，可以在光催化过程中为染料的降解提供更多活性位点，有利于光催化降解过程的进行[4]。

图4为g-C3N4的DRS谱图。从图中可以看出，g-C3N4在可见光范围内对光的利用率较强，吸收边为438 nm。图5为g-C3N4的Eg谱图,通过Eg=(h )2计算出g-C3N4的的带隙值为3.02 eV[5]。

图4 g-C3N4的UV-vis DRS光谱图

图5 g-C3N4的Eg谱图

2.2 g-C3N4对LY的光催化降解性能研究

如图6所示，在氙灯照射条件下，没加光催化剂时，LY本身对光非常稳定，暗反应30 min，光照50 min大约降解0.7%。在相同条件下加入g-C3N4后，LY的降解速率明显提高，暗反应30 min后LY被吸附0.9%，光照50 min时LY的降解率达到

90.3%。由此可见，g-C3N4光催化剂可有效降解LY。

图6 g- C3N4对LY溶液的降解曲线

3 结论

以三聚氰胺为原料，通过高温缩聚法制备了g-C3N4。使用XRD、FT-IR、SEM、UV-vis DRS表征分析了g-C3N4的物相结构、元素组分、微观形态及对光的利用情况。通过g-C3N4对LY染料进行光催化降解来评估其的光催化活性。光催化降解实验结果表明，g-C3N4对LY染料具有较好的光催化活性，光照50 min时LY的降解率达到了90.3%。