一种普鲁士蓝/g-C3N4复合光催化剂及其制备方法和应用

本发明涉及光催化剂，尤其涉及一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近几十年来，随着城市化的不断发展，大量抗生素被广泛用于治疗人类和动物感染。四环素作为一种典型的抗生素，已广泛应用于人类治疗、动物治疗和农业生产。据报道，由于常规方法处理不彻底，每年约有21万吨四环素与废水一起排入水生生态系统。此外，研究发现，即使浓度为纳克级，水生生态系统中的四环素也对环境和人类健康构成严重威胁。非均相光fenton技术作为一种先进的氧化工艺，由于其效率高、循环性好、操作简单且不产生大量铁泥，被认为是降解持久性有机污染物的有效方法。然而，大多数报道的photo-fenton催化剂只吸收紫外线，仅占太阳光谱的5％左右，这使得很难使用天然太阳紫外线作为能源。此外，一些光芬顿催化剂仅在低ph值下表现出高活性，或需要昂贵的化学物质以及耗时的合成过程。因此，开发具有简单合成程序和宽操作ph的可见光响应ph分析仪对于促进光芬顿技术的应用至关重要。

2、石墨碳氮化物(g-c3n4)因其资源丰富、制备简单、带结构独特等特点，在环境修复和水处理中得到了广泛应用。然而，由于其低表面积、有限的可见光利用率以及较差的电荷分离和转移效率，其降解性能受到严重限制。

3、根据先前的报告，已经证明，当g-c3n4与过渡金属基材料偶联时，通过扩大光吸收范围、增加电荷分离和转移能力以及激活光fenton(-样)反应，可以大大改善g-c3n4的降解性能。普鲁士蓝作为一类金属有机框架，具有面心立方晶胞，其中二价铁离子(fe ii)和三价铁离子(fe iii)由氰基配体(c≡n)交替桥接，其中高自旋fehs(fe iii)与n耦合，低自旋fe ls(fe ii)与c配位。由于成本低、毒性低、相对稳定性和独特的化学成分，普鲁士蓝及其类似物被视为与g-c3n4偶联的理想材料。尽管在fenton系统中已经报道了普鲁士蓝降解污染物，但很少研究普鲁士蓝与光fenton系统使用的g-c3n4的组合。

4、结构缺陷工程作为提高g-c3n4光催化性能的另一种流行策略受到了广泛关注，它不仅可以调节电子结构，还可以增加活性位点。特别是，当缺陷(n、c、o等)引入到具有更大表面积的g-c3n4的框架中时，表现出光催化性能的协同改善效果。此外，g-c3n4的各种形态(包括大孔、纳米片、微管)已被广泛研究，与传统的g-c3n4本体光催化剂相比，它们在光fenton反应中表现出更好的光催化性能。其中，具有多孔结构的二维超薄纳米片不仅提供了更多的污染物暴露，还缩短了电荷转移距离，延长了电荷复合时间。因此，构建具有污染物降解缺陷的多孔二维超薄g-c3n4纳米片是非常可行的。

5、根据上述背景，我们将碳空位引入多孔二维超薄g-c3n4纳米片，结合结晶普鲁士蓝纳米颗粒，可以构建具有增强降解性能的高效光fenton催化剂。通过简单的水热方法成功地合成了一系列普鲁士蓝负载和碳空位的g-c3n4(普鲁士蓝/多孔缺陷的g-c3n4纳米片)杂化催化剂。

技术实现思路

1、解决的技术问题：针对现有技术存在的缺点，本发明提供一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂及其制备方法和应用，该普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂的可见光吸收区域扩大，吸收能力增强，可见光利用率高，并且该普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂对降解抗生素药品、染料等环境污染物的光降解有较明显的作用。

2、技术方案：一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂的制备方法，步骤如下：

3、步骤一：将尿素溶解于去离子水中，升温至30℃，然后将溶液转移到带盖的陶瓷坩埚中，高温煅烧得到产物g-c3n4，其中尿素和去离子水的质量比为1∶1；

4、步骤二：将聚乙烯吡咯烷酮、铁氰化钾和步骤一制备得到的产物g-c3n4滴加到hcl溶液中，得到悬浮液，将悬浮液置于不锈钢高压釜中进行水热反应其中产物g-c3n4、聚乙烯吡咯烷酮、铁氰化钾的质量比为(50-350)∶(2500-3500)∶(25-28)，1mg产物g-c3n4对应(0.08-0.35)mlhcl溶液。

5、步骤三：步骤二的反应结束后，冷却至室温，将沉淀离心并分别用去离子水和无水乙醇洗涤三次，然后真空干燥，即得到普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂。

6、上述所述的步骤一中煅烧温度为550℃、时间为4h。

7、上述所述的步骤二中hcl溶液的浓度为0.01mol/l。

8、上述所述的步骤二中的水热反应的具体过程是将悬浮液置于具有50ml容量特氟隆衬里的不锈钢高压釜中，并放入80℃的烘箱中反应20h。

9、上述所述的步骤三中真空干燥温度为60℃、时间为12h。

10、上述所述的一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂的制备方法制备得到的普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂。

11、上述所述的一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂的制备方法制备得到的普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂在降解抗生素药品、染料污染物中的应用。

12、有益效果：本发明提供的一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂及其制备方法和应用，具有以下有益效果：

13、1.本发明由于g-c3n4与普鲁士蓝之间的界面相互作用和碳缺陷的协同作用，有效提高了材料对可见光的利用率，最大化了光生电荷转移效率，并具有较强的电荷转移和传导能力，还保持了材料较高的氧化还原能力；制得的催化剂可见光吸收能力也得到改善，吸收区域扩大，提高了可见光的利用率；

14、2.本发明制得的复合光催化剂对降解抗生素药品、染料等环境污染物的光降解有较明显的作用；

15、3.本发明的制备方法具有操作简单、重复性好、成本低及条件易控等优势；

16、4.本发明选择尿素高温制备g-c3n4，通过简单的水热方法合成了普鲁士蓝负载和碳空位的g-c3n4(普鲁士蓝/多孔缺陷的g-c3n4纳米片)杂化催化剂，应用于降解抗生素药品、染料等环境污染物，表现出较好的光催化活性；

17、5.本发明为设计用于环境修复的高效光电芬顿催化剂提供了新的见解。

技术特征：

1.一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂的制备方法，其特征在于步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤一中煅烧温度为550℃、时间为4h。

3.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤二中hcl溶液的浓度为0.01mol/l。

4.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤二中的水热反应的具体过程是将悬浮液置于具有50ml容量特氟隆衬里的不锈钢高压釜中，并放入80℃的烘箱中反应20h。

5.根据权利要求1所述的一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤三中真空干燥温度为60℃、时间为12h。

6.如权利要求1-5中任一项所述的一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂的制备方法制备得到的普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂。

7.如权利要求1-5中任一项所述的一种普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂的制备方法制备得到的普鲁士蓝/g-c3n4复合光催化剂在降解抗生素药品、染料污染物中的应用。

技术总结
本发明提供一种普鲁士蓝/g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;复合光催化剂及其制备方法和应用，该制备方法的步骤如下：将尿素溶解于去离子水中，升温至30℃，将溶液转移到带盖的陶瓷坩埚中，高温煅烧得到产物g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;；将聚乙烯吡咯烷酮、铁氰化钾和产物g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;滴加到HCl溶液中，得到悬浮液，在不锈钢高压釜中进行水热反应；反应结束后，冷却将沉淀离心并分别用去离子水和无水乙醇洗涤三次，真空干燥，即得到普鲁士蓝/g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;复合光催化剂。该普鲁士蓝/g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;复合光催化剂的可见光吸收区域扩大，吸收能力增强，可见光利用率高，并且该普鲁士蓝/g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;复合光催化剂对降解抗生素药品、染料等环境污染物的光降解有较明显的作用。

技术研发人员：陈训财,施郑正,李佳,潘玉蓬
受保护的技术使用者：南方医科大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13