一种钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂、还原氧化石墨烯复合膜及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂、还原氧化石墨烯复合膜及制备方法和应用，光催化剂的制备方法为：将三聚氰胺与钠盐混合研磨，在氩气下煅烧，冷却、水洗、过滤收集，冷冻干燥，得到的钠单一掺杂的氮化碳纳米片，再与硼氢化钠混合研磨，随后在氩气保护下煅烧，冷却、水洗、过滤收集，冷冻干燥，即制备完成。本发明专利技术采用两步煅烧法获得钠硼共掺杂的氮化碳纳米片，氧化石墨烯经还原与抽滤后获得还原氧化石墨烯薄膜，最后将催化剂交联在膜表面得到协同催化分离的还原氧化石墨烯复合膜，制备工艺简单、操作容易，钠硼共掺杂优化了催化剂的能带结构，提升了可见光催化效率，该复合膜通过截留抗生素实现表面限域来强化抗生素的降解去除效果。的降解去除效果。的降解去除效果。

【技术实现步骤摘要】
一种钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂、还原氧化石墨烯复合膜及制备方法和应用


[0001]本专利技术属于催化膜材料制备
，具体涉及一种钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂、还原氧化石墨烯复合膜及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，抗生素作为一种新型微污染物，因其会诱导抗性基因的产生而备受人们的关注。磺胺甲噁唑就是其中一种典型抗生素，在各类水体中被频繁检出。然而，传统治理抗生素污染的方法包括吸附法、芬顿法、活性污泥法等，均存在着各自的局限性。膜分离技术因具有低能耗、高效率等优点，被广泛应用于微污染物的去除，但只是简单的物理分离，并没有降解污染物。基于此，具有催化功能的分离膜是近年来的研究热点。在分离膜方面，氧化石墨烯膜具有抗污性好等众多优点，但容易发生层间溶胀，将其还原后可增强膜的稳定性。在催化剂方面，半导体光催化技术作为一种高级氧化技术，因具有能源清洁、成本低廉、反应温和等特点在降解抗生素等痕量污染物上有着重要应用。传统的半导体光催化剂TiO2仅能吸收紫外光，而紫外光仅占太阳光全谱能量的7％。
[0003]氮化碳作为一种新型半导体光催化剂，不仅可以实现可见光催化，同时具有原料丰富、能带适宜等优点。然而，未改性的氮化碳存在可见光吸收率低、光生电子
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空穴对复合快、电荷分离效率低等问题，限制了其实际应用。先前研究表明，形貌调控、非金属/金属元素掺杂以及氮缺陷引入等多种改性方法可有效调节氮化碳的能带结构、电子结构。然而目前对氮化碳的改性研究仍不足，开发一种简单的改性方法得到高效廉价的催化剂是十分有必要的。进一步的，将改性后的光催化剂负载在膜上，可实现污染物在截留的过程中协同降解。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂、还原氧化石墨烯复合膜及制备方法和应用。本专利技术提供了一种操作简单、催化活性高的可见光催化剂的制备方法和应用，在将其负载在还原氧化石墨烯膜上，得到一种协同催化分离的还原氧化石墨烯复合膜。
[0005]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0006]一种钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0007]1)将钠盐与三聚氰胺按照3～6:1的质量比混合后在研钵中充分研磨，随后放置坩埚中，在氩气保护下于管式炉中煅烧，从室温以3～5℃/min的升温速率加热至500～600℃后保温煅烧2～4h，随后自然冷却至室温，在超声辅助下用去离子水洗，过滤收集，冷冻干燥，得到钠单一掺杂的氮化碳纳米片；
[0008]2)将硼氢化钠与步骤1)所得钠单一掺杂的氮化碳纳米片按照0.1～1:1的质量比混合后在研钵中充分研磨，随后放置石英舟中，在氩气保护下于管式炉中煅烧，从室温以8
～12℃/min的升温速率加热至400～500℃后保温煅烧0.2～1h，随后自然冷却至室温，在超声辅助下用去离子水洗三次，过滤收集，冷冻干燥，得到钠硼共掺杂的氮化碳纳米片，即制备完成。
[0009]作为优选，步骤1)中钠盐为氯化钠，钠盐与三聚氰胺的质量比为4～5:1；步骤1)中所述的煅烧条件为以4～5℃/min的升温速率加热至500～550℃后保温煅烧2～3h。
[0010]作为优选，步骤2)中硼氢化钠与钠单一掺杂的氮化碳纳米片的质量比为0.4～0.5:1；步骤2)中所述的煅烧条件为以8～10℃/min的升温速率加热至450～470℃后保温煅烧0.4～0.5h。
[0011]作为优选，步骤1)和步骤2)中所述的过滤条件为在1bar压力下采用0.45μm混合纤维素酯膜(MCE)过滤收集。
[0012]进一步地，步骤1)和步骤2)中所述的冷冻干燥温度在
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80℃以下，干燥时间在20h以上。
[0013]本专利技术制备的钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂能够很好的应用在可见光催化降解废水中抗生素中，应用方法为：将抗生素废水的pH调节至中性，然后加入所述的钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂，废水中抗生素的浓度在20ppm以下，光催化剂与废水的固液比为1mg:0.5～2mL，先将形成的悬浮液置于暗室中搅拌20～40min达到吸附
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脱附平衡，然后采用氙灯光照下进行光催化降解反应，其中光照波长在420nm以上，光照强度为200～300mW/cm2；所述抗生素优选为磺胺甲恶唑。。
[0014]所述的一种协同催化分离的还原氧化石墨烯复合膜，其制备方法包括以下步骤：
[0015]S1：氧化石墨烯溶液经紫外还原，以支撑膜为基底抽滤成膜，烘干，在支撑膜表面形成还原氧化石墨烯膜；
[0016]S2：将本专利技术的钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂分散于水中形成悬浮液，然后将钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂抽滤至还原氧化石墨烯膜表面，并通过交联剂交联固定，烘干，即制得协同催化分离的还原氧化石墨烯膜。
[0017]作为优选，步骤S1中，支撑膜为PVDF或PES商业膜，膜平均孔径为0.05～0.2μm，优选为0.1μm；所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.005～0.02g/L，优选为0.01g/L，所述的紫外还原条件为在365nm波长下还原4～6h。
[0018]作为优选，支撑膜上还原氧化石墨烯的负载量为0.005
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0.015mg/cm2，优选为0.01mg/cm2；钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂在膜上的负载量为0.4
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0.6mg/cm2，优选为0.5mg/cm2；所述的交联剂为质量浓度0.05～0.2％的聚乙烯醇溶液与质量浓度8～12％的戊二醛溶液按照体积比1:1混合配制。
[0019]本专利技术提供的协同催化分离的还原氧化石墨烯复合膜能够很好的应用在可见光催化降解废水中抗生素中，应用方法为：在光照下，采用死端过滤的方式用于废水中抗生素的截留降解，使废水在1.5～3bar的压力下通过所述还原氧化石墨烯复合膜；所述抗生素优选为磺胺甲恶唑。
[0020]本专利技术与现有的技术相比，具有如下优点：
[0021]1)该钠硼共掺杂的氮化碳纳米片材料的原料来源广泛、廉价易得，工艺简单，适用于大规模的工业生产；
[0022]2)本专利技术方法制备的钠硼共掺杂的氮化碳纳米片材料，通过改变硼氢化钠的添加
量，构建了不同钠硼掺杂比例的氮化碳纳米片；
[0023]3)本专利技术方法制备的钠硼共掺杂的氮化碳纳米片材料，与未改性的相比，具有更适宜的能带、更低的光生电子
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空穴对复合率以及更高的电荷分离效率。
[0024]4)本专利技术方法制备的钠硼共掺杂的氮化碳纳米片材料，在用于对磺胺甲噁唑进行降解时，在相同的催化剂添加量下，其前期反应速率明显高于未改性氮化碳。在120min内，混合比为0.4的钠硼共掺杂的氮化碳纳米片材料对磺胺甲噁唑的去除率达99％以上，而未改性的仅48.6％。
[0025]5)本专利技术方法制备的钠硼共掺杂的氮化碳纳米片材料，在pH为中性条件下，可以实现对磺胺甲噁唑的高效降解。
[0026]6)本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将钠盐与三聚氰胺按照3~6:1的质量比混合后在研钵中充分研磨，随后放置坩埚中，在氩气保护下于管式炉中煅烧，从室温以3~5℃/min的升温速率加热至500~600℃后保温煅烧2~4 h，随后自然冷却至室温，在超声辅助下用去离子水洗，过滤收集，冷冻干燥，得到钠单一掺杂的氮化碳纳米片；2）将硼氢化钠与步骤1）所得钠单一掺杂的氮化碳纳米片按照0.1~1:1的质量比混合后在研钵中充分研磨，随后放置石英舟中，在氩气保护下于管式炉中煅烧，从室温以8~12℃/min的升温速率加热至400~500℃后保温煅烧0.2~1h，随后自然冷却至室温，在超声辅助下用去离子水洗三次，过滤收集，冷冻干燥，得到钠硼共掺杂的氮化碳纳米片，即制备完成。2.如权利要求1所述的一种钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中钠盐为氯化钠，钠盐与三聚氰胺的质量比为4~5:1；步骤1）中所述的煅烧条件为以4~5℃/min的升温速率加热至500~550℃后保温煅烧2~3 h。3.如权利要求1所述的一种钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于步骤2）中硼氢化钠与钠单一掺杂的氮化碳纳米片的质量比为0.4~0.5:1；步骤2）中所述的煅烧条件为以8~10℃/min的升温速率加热至450~470℃后保温煅烧0.4~0.5 h。4.如权利要求1所述的一种钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）和步骤2）中所述的冷冻干燥温度在
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80℃以下，干燥时间在20 h以上。5.如权利要求1~4任一所述的方法制备的钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂。6.如权利要求5所述的钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂在可见光下催化降解废水中抗生素中的应用，其特征在于应用方法为：将抗生素废水的pH调节至中性，然后加入所述的钠硼共掺杂的氮化碳光催化剂，废水中抗生素的浓度在20 ppm以下，光催化剂与废水的固...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱小萤，沈宇涛，郑静娴，
申请(专利权)人：安庆市长三角未来产业研究院，
类型：发明
国别省市：