一种氮化碳复合光催化剂及其制备方法与应用与流程

本发明属于光催化剂的制备领域，具体涉及一种氮化碳复合光催化剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着人类社会工业化进程的加快，环境污染问题日益凸显。有机污染物、重金属污染物以及各种细菌加剧向水体中排放，成为水体中的主要污染源，对生态系统和人体健康造成了严重的威胁。其中，有机染料污染是一种广泛存在的水污染源，即使是很低的浓度也仍然能够稳定存在于水体中。目前，国内外对废水中的有机物进行了大量的研究，已经开发出多种技术方法来降解水中的污染物，包括生物降解、膜过滤、离子交换等，但这些水污染的处理技术存在很多问题，比如过程较为复杂，需要持续供给能量，还会对水体造成二次污染等。

2、光催化降解技术凭借安全且可持续的特点已成为降解污染物最为经济有效的方法之一。通常情况下，光催化技术利用太阳光的照射半导体催化剂材料，在催化剂表面生成光生电子（e-）和空穴（h+），并通过e-和h+与h2o或o2反应生成活性氧（ross，如•o2-、•oh、h2o2和1o2），其中一些活性氧对污染物降解和矿化具有很高的活性，并且该过程不需要额外消耗其它原料，只需要太阳光的照射以及选取合适的半导体材料作为光催化剂。

3、石墨相氮化碳（g-c3n4）是一种典型的光催化剂，具有较低的成本、良好的物理化学稳定性以及耐高温耐腐蚀等优点，在降解有机污染物、杀菌消毒等方面具有广泛的应用前景。但未经改性的g-c3n4可见光的响应范围较窄、光生载流子传输能力差、载流子易复合，使得其光催化反应速率不理想，严重限制了g-c3n4的开发和应用。因此，亟需通过对其改性构建复合型光催化剂克服以上短板来改善催化性能。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种氮化碳复合光催化剂及其制备方法与应用，该催化剂利用g-c3n4作为光吸收活性层，并引入磷、钾元素进行共掺杂，调控了催化剂的电子结构，改变了带边位置，从而提升活性氧中间体的生成能力和光吸收性能，并提高导电性，同时引入助催化剂cos，与原有的磷、钾共掺杂催化剂共同构成特殊的半导体异质结，该异质结促进了光生电子的扩散与传递，并提高了光生电子与光生空穴的分离能力，从而延长了光生载流子的寿命。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、本发明提供了一种氮化碳复合光催化剂，氮化碳复合光催化剂为硫化钴修饰的磷、钾共掺杂氮化碳，氮化碳复合光催化剂为颗粒堆积状形貌，粒径1~10μm，长径比在10:1~2:1，氮化碳为石墨相，其中p、k、co、s元素在g-c3n4颗粒中均匀分布，氮化碳复合光催化剂中各元素掺杂比例为p 1.33~21.7%，k 3.94~41.2%、co 0.412~8.27%、s 0.216~4.57%。

4、进一步优选地，复合光催化剂的带隙为2.50 ev ~ 2.98 ev。

5、一种氮化碳复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

6、（1）将三聚氰胺和磷酸氢二钾加入到去离子水中，超声分散后，将全部溶液迅速转移到高压反应釜中，水浴加热至180℃反应24h，待反应釜温度降至室温，用去离子水洗涤样品，过滤后将样品置于60~85℃恒温干燥箱中烘干，再将干燥后的样品置于带盖的坩埚中，升温到500~580℃，煅烧2~6h，冷却至室温得到粉末样品；

7、（2）取步骤（1）中得到的粉末样品加入到含有硝酸钴和硫脲的混合溶液中，搅拌1h后，将混合溶液转移到高压反应釜中，水浴加热至150℃反应4h，待反应釜温度降至室温，用去离子水洗涤样品，之后在60~85℃烘干，得到所述氮化碳复合光催化剂。

8、进一步优选地，步骤（1）中三聚氰胺和磷酸氢二钾的质量比为1~5:0.05~0.5。

9、进一步优选地，步骤（2）中硝酸钴和硫脲的摩尔比为1:2，混合溶液中硝酸钴的摩尔浓度为1~10 mm。

10、一种氮化碳复合光催化剂在光催化降解有机物中的应用，氮化碳复合光催化剂具有优秀的光吸收能力和光催化氧化能力，促进了光催化降解有机污染物。

11、本发明的有益效果：

12、本发明氮化碳复合光催化剂，利用g-c3n4作为光吸收活性层，并引入磷、钾元素进行共掺杂，调控了催化剂的电子结构，改变了带边位置，从而提升活性氧中间体的生成能力和光吸收性能，并提高导电性；在此基础上，引入助催化剂cos，与原有的磷、钾共掺杂催化剂共同构成特殊的半导体异质结，该异质结促进了光生电子的扩散与传递，并提高了光生电子与光生空穴的分离能力，从而延长了光生载流子的寿命。此外，该结构进一步调控了电子结构，扩大了光谱响应范围和氧化能力。将该复合催化剂用于光催化降解有机污染物，取得了良好的效果。在模拟太阳光的照射下，其对有机污染物rhb的降解效果不但优于常规的g-c3n4、磷单掺杂的g-c3n4和钾单掺杂的g-c3n4，也优于磷、钾共掺杂g-c3n4以及cos修饰的g-c3n4。

技术特征：

1.一种氮化碳复合光催化剂，其特征在于，所述氮化碳复合光催化剂为硫化钴修饰的磷、钾共掺杂氮化碳，氮化碳复合光催化剂为颗粒堆积状形貌，粒径1~10μm，长径比在10:1~2:1，氮化碳为石墨相，其中p、k、co、s元素在g-c3n4颗粒中均匀分布，氮化碳复合光催化剂中各元素掺杂比例为p 1.33~21.7%，k 3.94~41.2%、co 0.412~8.27%、s 0.216~4.57%。

2.根据权利要求1所述的氮化碳复合光催化剂，其特征在于，所述复合光催化剂的带隙为2.50 ev ~ 2.98 ev。

3.根据权利要求1~2任一项所述氮化碳复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的氮化碳复合光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中三聚氰胺和磷酸氢二钾的质量比为1~5:0.05~0.5。

5.根据权利要求3所述的氮化碳复合光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中硝酸钴和硫脲的摩尔比为1:2，混合溶液中硝酸钴的摩尔浓度为1~10 mm。

6.根据权利要求1~2任一项所述氮化碳复合光催化剂在光催化降解有机物中的应用，其特征在于，所述氮化碳复合光催化剂具有优秀的光吸收能力和光催化氧化能力，促进了光催化降解有机污染物。

技术总结
本发明属于光催化剂的制备领域，公开了一种氮化碳复合光催化剂及其制备方法与应用，氮化碳复合光催化剂为硫化钴修饰的磷、钾共掺杂氮化碳，氮化碳为石墨相，氮化碳复合光催化剂中各元素掺杂比例为P 1.33~21.7%，K 3.94~41.2%、Co 0.412~8.27%、S 0.216~4.57%，利用g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;作为光吸收活性层，并通过磷、钾元素进行共掺杂，调控了催化剂的电子结构，改变了带边位置，从而提升活性氧中间体的生成能力和光吸收性能，提高导电性，同时引入助催化剂CoS，与原有的磷、钾共掺杂催化剂共同构成特殊的半导体异质结，该异质结促进了光生电子的扩散与传递，提高了光生电子与光生空穴的分离能力，从而延长了光生载流子的寿命。

技术研发人员：张宁,赵磊,吴犇,瞿龙,张宝震,德嘎,王喆,张彦
受保护的技术使用者：天津市生态环境科学研究院（天津市环境规划院、天津市低碳发展研究中心）
技术研发日：
技术公布日：2025/2/20