一种g-C3N4纳米片复合催化剂及其制备方法和应用

本发明属于光催化产h2o2，具体涉及一种g-c3n4纳米片复合催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、g-c3n4因具有制备方法简单、对可见光响应、化学和热稳定性高等优点，成为目前重要的非金属光催化材料。然而，由于g-c3n4光吸收能力较弱、光生电子-空穴复合率高等原因，其催化清洁物质的合成及有机污染物降解的活性受到很大限制。生物质是制备碳材料的优良资源。它资源丰富、可再生、污染低。生物质一般是指任何形式的有机物，包括所有动物、植物和微生物，如农业废弃物、动物粪便、城市有机固体废物等。目前，关于将生物质转化为碳材料已经进行了广泛的研究。研究发现生物质转化为碳材料可以缩小g-c3n4的带隙，增加了在更宽波长范围内的光吸收，提高了g-c3n4光催化活性。

2、现有技术公开了一种碳量子点/g-c3n4复合光催化剂的制备及光催化降解四环素性能，参考文献为：石玉，陈芳艳，唐玉斌等.碳量子点/g-c3n4复合光催化剂的制备及光催化降解四环素性能[j].江苏科技大学学报(自然科学版)，vol.34no.2apr.2020.该方法通过煅烧制备纯g-c3n4，再通过一步煅烧将碳量子点溶液负载于纯g-c3n4上，制备出碳量子点修饰氮化碳(cqds/g-c3n4)复合光催化剂，但是上述制备的催化剂催化活性不高。因此，急需开发一种能够制备出催化活性高的复合催化剂的制备方法。

技术实现思路

1、本发明公开了一种g-c3n4纳米片复合催化剂及其制备方法和应用，解决了现有技术制备的碳量子点/g-c3n4复合光催化剂催化活性不高的问题。

2、一种g-c3n4纳米片复合催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：

3、制备生物质碳量子点；

4、制备g-c3n4纳米片：以含氮有机物为原料，采用三次煅烧法制备g-c3n4纳米片；其中，三次煅烧法具体为：第一次煅烧为先升温至500～600℃，并恒温保持4～6h；冷却后进行第二次煅烧，升温至500～600℃，并恒温保持1～3h；冷却后进行第三次煅烧，升温至500～600℃，并恒温保持1～3h，得g-c3n4纳米片；

5、制备g-c3n4纳米片复合催化剂：将制得的生物质碳量子点负载于g-c3n4纳米片上，得g-c3n4纳米片复合催化剂。

6、一次煅烧、二次煅烧形成的都是g-c3n4纳米块，无法形成单层纳米片，导致比表面积太小，催化活性低；过量煅烧可能破坏催化剂的单层结构，降低了催化剂的比表面积，致使活性位点减少，催化性能降低。

7、优选的，第一次煅烧时，升温速率为2.5～5℃/min。进一步地，升温速率为2.5～3℃/min、3.5～4℃/min或4.5～5℃/min。因为材料都是纳米级别的，如果第一次煅烧时，升温速率过快可能会造成结构塌陷。

8、优选的，第二次煅烧时，升温速率为5～10℃/min。进一步地，升温速率为5～6℃/min、7～8℃/min或9～10℃/min。如果第二次煅烧时，升温速率过慢，可能聚合不充分，形成不了比表面积较大的薄片结构。

9、优选的，第三次煅烧时，升温速率为2.5～5℃/min。进一步地，升温速率为2.5～3℃/min、3.5～4℃/min或4.5～5℃/min。因为第三次煅烧时，部分结构已经形成，升温速度过快可能会造成已经形成结构的断裂。

10、优选的，制备g-c3n4纳米片时，含氮有机物为三聚氰胺、双氰胺、尿素、硫脲、氨氰中的一种或几种。

11、优选的，制备g-c3n4纳米片复合催化剂时，具体方法为：将制得的生物质碳量子点与g-c3n4纳米片分散于水中，反应24～30h；得g-c3n4纳米片复合催化剂；其中，生物质碳量子点与g-c3n4纳米片按比例为1ml:0.1～3g。

12、优选的，反应时，以400～800rpm的速度进行搅拌。搅拌速度过慢，碳量子点负载的不均匀，搅拌速度过高，负载到g-c3n4纳米片上的碳量子点可能会掉下来。

13、优选的，所述制备生物质碳量子点的方法为：将作物秸秆与水混合，在150～250℃下，加热4～8h，离心后，上清液除去溶剂，所得固体为生物质碳量子点；所述作物秸秆与水的比例为1.2～2g:20～60ml。

14、本发明的第二个目的在于保护所述的制备方法制得的g-c3n4纳米片复合催化剂。

15、本发明的第三个目的在于保护所述的g-c3n4纳米片复合催化剂在光催化产h2o2方面的应用。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、(1)以含氮有机物为原料，在500～600℃的高温下通过多次煅烧制备得到g-c3n4纳米片；然后将生物质碳量子点与g-c3n4纳米片通过浸渍法成功制备得到生物质碳量子点修饰g-c3n4复合材料，生物质碳量子点均匀地分散在g-c3n4纳米片表面。从本发明的实施例和对比例中可以看出，不同的煅烧次数制得的g-c3n4纳米片负载生物质碳量子点后的催化性能不同，三次煅烧制得的g-c3n4纳米片负载生物质碳量子点后的催化性能最好。

18、(2)生物质碳量子点负载后，材料的光吸收能力增强，显著提高比表面积、提升光电流强度，降低电荷转移阻抗(rct)值和光生载流子复合率，导致生物质碳量子点修饰g-c3n4具有最优性能，可以为废弃生物质资源化利用提供新思路。

19、(3)以玉米秸秆废弃物为原料，通过水热法制备生物质碳量子点。生物质碳量子点使用量1ml时，h2o2产量最高，当生物质碳量子含量加入超过1ml时，h2o2产量降低，质子和·o2-是反应不可缺少的物质，生物质碳量子点修饰g-c3n4具有良好的稳定性。

技术特征：

1.一种g-c3n4纳米片复合催化剂的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种g-c3n4纳米片复合催化剂的制备方法，其特征在于，第一次煅烧时，升温速率为2.5～5℃/min。

3.根据权利要求2所述一种g-c3n4纳米片复合催化剂的制备方法，其特征在于，第二次煅烧时，升温速率为5～10℃/min。

4.根据权利要求3所述一种g-c3n4纳米片复合催化剂的制备方法，其特征在于，第三次煅烧时，升温速率为2.5～5℃/min。

5.根据权利要求4所述一种g-c3n4纳米片复合催化剂的制备方法，其特征在于，制备g-c3n4纳米片时，含氮有机物为三聚氰胺、双氰胺、尿素、硫脲、氨氰中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述一种g-c3n4纳米片复合催化剂的制备方法，其特征在于，制备g-c3n4纳米片复合催化剂时，具体方法为：将制得的生物质碳量子点与g-c3n4纳米片分散于水中，反应24～30h；得g-c3n4纳米片复合催化剂；其中，生物质碳量子点与g-c3n4纳米片按比例为1ml:0.1～3g。

7.根据权利要求6所述一种g-c3n4纳米片复合催化剂的制备方法，其特征在于，反应时，以400～800rpm的速度进行搅拌。

8.根据权利要求1所述一种g-c3n4纳米片复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备生物质碳量子点的方法为：将作物秸秆与水混合，在150～250℃下，加热4～8h，离心后，上清液除去溶剂，所得固体为生物质碳量子点；所述作物秸秆与水的比例为1.2～2g:20～60ml。

9.根据权利要求1～8所述任一制备方法制得的g-c3n4纳米片复合催化剂。

10.一种权利要求9所述的g-c3n4纳米片复合催化剂在光催化产h2o2方面的应用。

技术总结本发明涉及光催化产H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;技术领域，公开了一种g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;纳米片复合催化剂及其制备方法和应用，制备方法：制备生物质碳量子点；以含氮有机物为原料，采用三次煅烧法制备g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;纳米片；其中，三次煅烧法具体为：第一次煅烧为先升温至500～600℃，并恒温保持4～6h；冷却后进行第二次煅烧，升温至500～600℃，并恒温保持1～3h；冷却后进行第三次煅烧，升温至500～600℃，并恒温保持1～3h，得g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;纳米片；将制得的生物质碳量子点负载于g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;纳米片上，得g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;纳米片复合催化剂。制备得到生物质碳量子点修饰g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;复合材料，生物质碳量子点均匀的分散在g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;纳米片表面，催化性能最好。技术研发人员：郑龙辉,王智赢,沈连峰,岳嘉辉,李烜桢,吴明作受保护的技术使用者：河南农业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23