一种可见光响应的硼氮共掺杂光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种可见光响应的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的制备方法及应用，属于光催化领域。本发明专利技术是通过氧化‑还原法制备硼氮共掺杂石墨烯光催化剂。包括如下步骤：（1）将金属酞菁置于浓盐酸和吡啶的混合溶液中，回流反应得到无金属酞菁；将无金属酞菁置于石英管式炉中，经程序升温煅烧得到氮掺杂石墨烯；（2）经高锰酸钾和硫酸氧化得到氧化氮杂化石墨烯；（3）添加硼源还原氧化氮杂化石墨烯得到硼氮共掺杂石墨烯光催化剂。本制备方法简单易行，成本低廉，可用于工业化生产；所制得的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂具有可见光区范围响应，高光催化活性等优点，可用于工业有机染料废水的光催化处理。突破了石墨烯不能作为一种独立的光催化剂应用于光催化降解有机染料废水领域的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种可见光响应的硼氮共掺杂光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于光催化
，具体涉及一种可见光响应的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的制备方法及应用。
技术介绍
随着现代工业的迅猛发展，环境污染问题日益突出，其中，水体污染已经威胁到国民的健康和社会的发展，治理水体污染已经成为一个人们日益关注的话题。光催化技术作为一种绿色、环保和可持续发展的污水处理技术，可以直接利用太阳光作为光源，把有机污染物彻底降解为CO2和H2O，不产生二次污染，已经受到的人们的热切关注。在光催化降解废水领域，半导体(TiO2、ZnO、ZnO和CdS)或贵金属(Au、Pd和Au-Pd)是主流的光催化剂，此类光催化剂具有对太阳能的利用率低下、纳米颗粒团聚严重、抑制光致载流子快等缺点，会造成金属资源的浪费和在后处理方面会污染环境等问题。石墨烯是一种零带隙材料，使其不能独立作为光催化剂应用于光催化领域。文献表明，石墨烯只能作为助催化剂，与金属或金属化合物形成复合材料作为光催化剂应用于光催化产氢或降解领域。通过杂原子（N、P、S等）掺杂到石墨烯的表面或晶格中，破坏石墨烯晶格对称性，导致π键和π反键之间形成带隙，将石墨烯转化为半导体。由于掺杂剂引入额外的自由电荷载流子，在状态密度下引入附加状态，改变了石墨烯的电子结构。具有更多价电子的原子掺杂到石墨烯则形成n型掺杂，而具有较少价电子的原子掺杂到石墨烯形成p型掺杂。这种杂原子掺杂打开了石墨烯的带隙，使其可以作为一种独立的光催化剂应用于光催化降解有机染料废水领域。有鉴于此，特提出本专利技术以解决上述技术问题。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术提供一种可见光响应的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂，光催化剂具有可见光响应范围，高光催化活性等优点，可用于工业有机染料废水的光催化处理。以解决石墨烯不能作为一种独立的光催化剂应用于光催化降解有机染料废水领域的问题。为了实现上述目的，本专利技术提供一种硼氮共掺杂墨烯光催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1:制备氮掺杂石墨烯：（1）将酞菁加入浓盐酸和吡啶的混合溶液中，回流反应，抽滤洗涤，干燥处理得无金属酞菁；（2）将无金属酞菁置于石英管式炉中，经程序升温，烧结得氮掺杂石墨烯；S2:制备氧化氮掺杂石墨烯：向氮掺杂石墨烯中加入的浓硫酸，冰水浴搅拌；低温时加入高锰酸钾；升温至80℃继续搅拌；接着转移到的热水中，并加入5%过氧化氢溶液搅拌；抽滤，洗涤，烘干，得氧化氮掺杂石墨烯；S3:制备硼氮共掺杂石墨烯光催化剂：将氧化氮掺杂石墨烯超声分散在去离子水中；在35℃时加入一定量的硼源反应；抽滤、洗涤、干燥，得硼氮共掺杂石墨烯。本专利技术中的方法可以做如下进一步改进。进一步，步骤S1中，酞菁为锌酞菁、铜酞菁、镍酞菁、钴酞菁或铁酞菁；其与混合溶液料液比为3：10；回流反应条件为120℃反应12h；进一步，步骤S1中，程序升温为依次加热至350℃、400℃、450℃、500℃、800℃，并分别保温1h、2h、2h、2h、6h，加热过程中，升温速率为3℃/min~10℃/min；进一步，步骤S2中，高锰酸钾与氮掺杂石墨烯的质量比为（1~6）：（4~7）；过氧化氢溶液与热水的体积比为1：1。进一步，步骤S3中，氧化氮掺杂石墨烯与去离子水料液比为（1~5）：（100~600）；进一步，步骤S3中，硼氢化钾或硼氢化钠与氧化氮掺杂石墨烯的质量比为1：（1~0.3）。进一步，步骤S3中，加入硼源后的反应条件为85~120℃下反应30~210min；本专利技术中的可见光响应的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂主要用于有机染料废水的处理。以含有亚甲基蓝的废水处理为例，处理的具体方法如下：将一定量的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂加入到亚甲基蓝溶液中，置于暗处搅拌。待达到吸附-脱附平衡后，置于氙灯光源（λ＞420nm）下光照一定时间，离心，在可见光分光光度计上测定不同光照时间下的吸光度。最终结果是，80mg/L亚甲基蓝溶液有94%被降解掉。同等用量比例下，置于太阳光下光照一定时间，80mg/L亚甲基蓝溶液有86%被降解掉。表明该光催化剂对有机染料废水具有良好的处理效果。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术提供的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂是一种非金属光催化剂，避免了金属资源的利用，利于环境的保护。2.本专利技术提供的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的制备方法简单易行，成本低廉，利于工业化生产。3.本专利技术提供的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂在可见光照射下降解有机染料废水表现出高光催化活性，表明可以作为可见光区的光催化剂，可用于工业有机染料废水的光催化处理。4.本专利技术提供的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的应用，在可见光区（λ＞420nm）和太阳光下光催化降解有机染料废水，操作简单，节能、环保，无二次污染。附图说明图1硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的透射电子显微镜（TEM）图；图2硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的X射线能谱（XPS）全图；图3硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的X射线能谱（XPS）B1s图；图4硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的光催化降解亚甲基蓝溶液图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。实施例一制备一种硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的制备方法如下：30g锌酞菁加入到100mL浓盐酸和吡啶摩尔比为1:4的混合溶液中，120℃回流反应12h后，用稀盐酸和水抽滤洗涤，置于电热鼓风烘箱中干燥24h得无金属酞菁。所得无金属酞菁置于石英管式炉中，经程序升温烧结得到氮掺杂石墨烯。20mL98%浓硫酸加入装有1g氮掺杂石墨烯的烧瓶中，在冰水浴中搅拌1h；控制温度不高于15℃时加入4g高锰酸钾，搅拌30min；升温至80℃搅拌30min；将上述混合物转移至盛有200mL60℃热水的烧杯中，并加入200mL5%过氧化氢溶液；抽滤，用5%盐酸溶液和大量去离子水洗涤至中性；置于60℃电热鼓风烘箱中干燥24h，得到氧化氮掺杂石墨烯；2g氧化氮掺杂石墨烯超声分散在180mL去离子水中，超声反应2h；在35℃水浴条件下添加2g硼氢化钠；升温至90℃反应60min，抽滤洗涤至中性；置于60℃真空烘箱中干燥24h，得到硼氮共掺杂石墨烯。实施例二制备一种硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的制备方法如下：30g铁酞菁加入到100mL浓盐酸和吡啶摩尔比为1:4的混合溶液中，120℃回流反应12h后，用稀盐酸和水抽滤洗涤，置于电热鼓风烘箱中干燥24h得无金属酞菁。所得无金属酞菁置于石英管式炉中，经程序升温烧结得到氮掺杂石墨烯。120mL98%浓硫酸加入装有6g氮掺杂石墨烯的烧瓶，在冰水浴中搅拌1h；在冰水浴中搅拌1h；控制温度不高于15℃时加入7g高锰酸钾，搅拌30min；升温至80℃搅拌30min；将上述混合物转移至盛有200mL60℃热水的烧杯中，并加入200mL5%过氧化氢溶液；抽滤，用5%盐酸溶液和大量去离子水洗涤至中性；置于60℃真空烘箱下烘干24h，得到氧化氮掺杂石墨烯；3g氧化氮掺杂石墨烯超声分散在210mL去离子水中，超声反应2h；在35℃水浴条件下添加10g硼氢化钾；升温至100℃反应80min，抽滤洗涤至中性；置于60℃电热鼓风烘箱中干燥30h，得到硼氮共掺杂石墨烯。实施例三一种硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的应用如下：将50mg硼氮共掺杂石墨烯光催化剂加入到50mL80mg/L亚甲基蓝溶液中，置于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可见光响应的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂，其特征在于：所述光催化剂具有可见光响应范围，高光催化活性等优点。

【技术特征摘要】
1.一种可见光响应的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂，其特征在于：所述光催化剂具有可见光响应范围，高光催化活性等优点。2.一种可见光响应的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1:制备氮掺杂石墨烯：（1）将酞菁加入浓盐酸和吡啶的混合溶液中，回流反应，抽滤洗涤，干燥处理得无金属酞菁、（2）将无金属酞菁置于石英管式炉中，经程序升温，烧结得氮掺杂石墨烯、S2:制备氧化氮掺杂石墨烯：向氮掺杂石墨烯中加入的浓硫酸，冰水浴搅拌；低温时加入高锰酸钾；升温至80℃继续搅拌；接着转移到的热水中，并加入5%过氧化氢溶液搅拌；抽滤，洗涤，烘干，得氧化氮掺杂石墨烯、S3:制备硼氮共掺杂石墨烯光催化剂：将氧化氮掺杂石墨烯超声分散在去离子水中，在35℃时加入一定量的硼源反应，抽滤、洗涤、干燥，得硼氮共掺杂石墨烯。3.根据权利1要求所述的一种可见光响应的硼氮共掺杂石墨烯光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述金属酞菁为锌酞菁、铜酞菁、镍酞菁、钴酞菁或铁酞菁；其与混合溶液料液比为3：10，回流反应条件为120℃反应12h。4.根据权利1要求所述的一种可见光响应的硼氮共掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓艳，刘丽华，卢柄丞，李若扬，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：四川,51