利用水热法原位制备高浓度氧空位CeO2/g-C3N4光催化剂及其光催化应用

本发明属于光催化剂制备领域，具体涉及利用水热法原位制备高浓度氧空位的八面体ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂及其光催化应用。

背景技术：

1、ceo2作为典型的稀土氧化物，具有优异的物理化学性质。在纳米ceo2中，共存的ce3+能产生大量的氧空位，氧空位在催化还原反应中起重要作用，因此ceo2常用于有机染料降解。ceo2的带隙较大，不能有效地利用可见光，纯ceo2的电子空穴复合率又比较高，因此单一ceo2光催化效果有限。由于ceo2与其他合适的材料复合能解决其光催化效果有限的问题，因此合成具有高效光催化性能的ceo2基复合材料已成为研究热点。

2、g-c3n4光催化剂作为一种典型的聚合物半导体材料在光催化领域已得到众多应用，但仍存在以下缺点，例如体相材料的比表面积小、光生载流子复合率较高、量子效率低和禁带宽度较大，严重限制了其光催化性能的提高和规模化应用。

3、目前研究中，已有将g-c3n4和ceo2进行复合，构建g-c3n4-ceo2复合光催化剂，如“可见光响应型石墨相氮化碳复合材料的制备及其降解有机污染物研究”中，通过二步煅烧法合成了ceo2/g-c3n4复合光催化剂；cn202210460976.1一种g-c3n4负载{100}ceo2异质结材料、制备方法及其应用，其先制备出石墨氮化碳，再制备出{100}ceo2，然后构建了以g-c3n4和{100}ceo2结合的异质结材料；cn202311085612.0一种超薄聚合石墨碳氮化合物负载金属氧化物的制备及其应用，其分别先制备得超薄聚合石墨相氮化碳纳米片和二氧化铈纳米颗粒，再进行复合；上述均属于物理混合法。cn202010430925.5一种原位合成二氧化铈/石墨相氮化碳复合光催化材料的方法，提出的原位合成方法能够合成ceo2/g-c3n4复合材料，其中通过高温焙烧双氰胺先制备g-c3n4，再将g-c3n4加入到含有ce3+离子的koh溶液中静置搅拌一定时间，但体系中所需要的碱液浓度过高，不利于实际使用。所制备的ceo2虽然粒径小，但形貌不均一，活性位点无法充分暴露，且二者之间相互作用力弱。cn201911084207.0一种cn@ceo2负载低含量金催化剂及其制备方法和应用，通过一锅法制备复合载体c3n4@ceo2，使载体在纳米尺度上原位接触，提高了载体的性能。其中复合载体c3n4@ceo2分别通过碳氮前驱体和ce前躯体固相混合、高温焙烧所得，该法所制备的复合c3n4@ceo2材料中c3n4和ceo2之间存在接触不均匀，单独聚集的现象。其中ceo2属于无定型结构，几乎无光催化活性，因此复合材料的整体的光生载流子复合严重，必须在外加au催化剂的条件下才具有光催化降解效果。

4、目前关于ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂的制备主要包括物理混合法、原位生长法、自组装法等。物理混合法是简单地混合ceo2和g-c3n4的前驱体粉末，经过一定的热处理过程获得复合材料。这种方法虽然操作简便，但是制备的两种材料间通常是通过范德华力结合，导致界面结合不够紧密，光生电子-空穴对的复合率较高，光催化效率较低，稳定性差。水热法是在高压密闭环境下，利用水作为溶剂，通过溶解-沉淀过程制备ceo2/g-c3n4纳米复合材料的方法。但目前未研究水热反应对ceo2氧空位浓度、形貌控制、反应活性位点的影响。并未涉及ceo2/g-c3n4异质结光催化剂在催化乙醛有毒挥发性污染物生成二氧化碳应用中的研究。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种利用水热法原位制备ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂及其光催化应用。本发明利用特定条件的水热法，形成含有高浓度氧空位的八面体ceo2纳米粒子，同时使含有高浓度氧空位的八面体ceo2纳米粒子原位生长在g-c3n4表面，获得更紧密的界面结合和更优异的光催化性能。从而建立高效的异质结结构来改善g-c3n4的光催化氧化还原活性。本发明制备的高浓度氧空位的八面体ceo2纳米粒子有助于提供更多的反应活性位点，使得反应物与光催化剂之间具有充分的接触。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、原位生长法制备高浓度氧空位的八面体ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂，具体制备步骤如下：

4、(1)g-c3n4制备：称量三聚氰胺粉体，平铺在有盖的氧化铝坩埚中，然后置于程序升温电炉中，保持升温速率为2.3℃/min，然后在动态空气气氛下加热至450～550℃，并在该温度下保持4h。因为聚合反应过程中会释放大量的氨气，所以需要对尾气进行吸收处理。冷却至室温后将得到的块状样品研磨成粉末，简记为g-c3n4。

5、(2)称取步骤(1)g-c3n4粉体，特定量的ce(no3)3·6h2o加入聚四氟乙烯反应釜中，在乙醇/水混合溶剂中搅拌分散2h后，然后将其置于烘箱中进行水热反应。待冷却后，离心干燥研磨处理，反应后的得到产物nceo2/g-c3n4，其中n＝0.25～3.0mmol。铈盐和g-c3n4粉体的用量关系为0.25～3.0mmol：0.6g。进一步优选1.0mmol：0.6g。

6、进一步，水热反应条件为：140～170℃条件下反应16～20h。进一步优选160℃条件下反应18h。

7、进一步，乙醇/水混合溶剂的体积比10～30:10～30。进一步优选体积比为：17：23。优选后的乙醇/水混合溶剂得到的，可以获得粒径单一的八面体ceo2，更有利于使g-c3n4与ceo2之间建立的紧密界面异质结关系，产生的光生电荷得到有效分离。

8、制备得到的ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂在催化乙醛有毒挥发性污染物生成二氧化碳中的应用。

9、应用方法为：ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂在可见光条件下或/和紫外光条件下，光催化乙醛反应产生二氧化碳。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

11、本发明通过水热反应，使ceo2原位生长在g-c3n4表面，并且特定系统的水热条件下g-c3n4缓慢释放的氨气溶解在溶液中，提供了一个温和适宜ceo2晶粒缓慢熟化的环境，控制八面体的ceo2纳米颗粒的氧空位含量、粒径、负载量以及分散性，同时使g-c3n4与ceo2之间建立的紧密界面异质结关系，产生的光生电荷得到有效分离，在催化乙醛生成二氧化碳中的应用中，具有较高的光催化活性。

技术特征：

1.一种利用水热法原位制备高浓度氧空位ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂的方法，其特征在于：所述制备步骤为：

2.根据权利要求1所述利用水热法原位制备高浓度氧空位ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂的方法，其特征在于：铈盐为ce(no3)3·6h2o。

3.根据权利要求1所述利用水热法原位制备高浓度氧空位ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂的方法，其特征在于：铈盐和g-c3n4粉体的用量关系为0.25～3.0mmol：0.6g。

4.根据权利要求3所述利用水热法原位制备高浓度氧空位ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂的方法，其特征在于：铈盐和g-c3n4粉体的用量关系为1.0mmol：0.6g。

5.根据权利要求1所述利用水热法原位制备高浓度氧空位ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂的方法，其特征在于：混合溶剂中乙醇和水的体积比为17：23。

6.根据权利要求1所述利用水热法原位制备ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂的方法，其特征在于：水热反应时间为16～20h。

7.根据权利要求6所述利用水热法原位制备高浓度氧空位ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂的方法，其特征在于：水热反应条件为：160℃条件下反应18h。

8.根据权利要求1所述利用水热法原位制备高浓度氧空位ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂的方法，其特征在于：所述ceo2/g-c3n4中的ceo2为八面体形貌。

9.根据权利要求1-8任一项所述方法制备的ceo2/g-c3n4纳米复合异质结光催化剂在催化乙醛有毒挥发性污染物生成二氧化碳中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：在紫外光或/可见光条件下进行光催化反应。

技术总结本发明属于光催化剂制备领域，公开了利用水热法原位制备高浓度氧空位CeO<subgt;2</subgt;/g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;光催化剂及其光催化应用。本发明将g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;和铈盐加入反应釜中，在乙醇和水混合溶剂下水热反应，得到高浓度氧空位的CeO<subgt;2</subgt;/g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;纳米复合异质结催化剂。本发明通过水热反应，使高浓度氧空位CeO<subgt;2</subgt;原位生长在g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;表面，并且在特定的水热条件下一是可获得具有高氧空位含量的八面体的CeO<subgt;2</subgt;，二是易于控制八面体的CeO<subgt;2</subgt;纳米颗粒的负载量，使g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;与CeO<subgt;2</subgt;之间建立的紧密界面异质结关系，使其产生的光生电荷得到有效分离，在催化乙醛有毒挥发性污染物生成二氧化碳应用中，具有较高的光催化活性。技术研发人员：汤杰,张启涛,郝卫强,张沛清,李露,闫雪茹,蒋慧旺受保护的技术使用者：常州工程职业技术学院技术研发日：技术公布日：2024/7/23