硼掺杂石墨相氮化碳光催化的研究目的
类石墨相氮化碳基光催化剂的制备及其光催化性能研究
分类号：TQ579单位代码：10110学号：S*******中北大学全日制工程硕士学位论文类石墨相氮化碳基光催化剂的制备及其光催化性能研究硕士研究生谢春妹校内指导教师张立新校外指导教师李万辉所在领域化学工程2018年5月24日图书分类号TQ579密级非密UDC注1_____________________________________________________________全日制工程硕士学位论文类石墨相氮化碳基光催化剂的制备及其光催化性能研究谢春妹校内指导教师（姓名、职称）张立新教授校外指导教师（姓名、职称）李万辉高级工程师申请学位级别工程硕士所在领域（研究方向）化学工程（光催化）论文提交日期2018年6月4日论文答辩日期2018年5月24日学位授予日期年月日论文评阅人赵志换副教授弓亚琼副教授答辩委员会主席马国章教授2018年5月24日注1：注明《国际十进分类法UDC》的分类类石墨相氮化碳基光催化剂的制备及其光催化性能研究摘要环境污染和能源问题是人类面临的两个重大问题，特别是由化石燃料燃烧所产生的二氧化碳（CO2）排放到空气中造成的温室效应已成为全球性问题。
CO2既是一种环境污染物，同时也是一种重要的碳源，寻求合适的方法将CO2转化为有价值的产品既可以解决环境问题，同时还能缓解能源危机。
光催化技术是一种绿色环保的技术，以太阳能为动力，反应条件温和，不产生有毒有害的副产物，在催化还原CO2方面有较好的应用。
光催化还原CO2是模拟植物光合作用固定CO2，将引起温室效应的CO2转化成CH4、CH3OH等碳氢燃料。
目前报道的很多光催化材料都是因为光响应范围窄，光催化性能低以及光催化剂的不稳定性而导致其应用范围受到限制，因此，高效、稳定的新型光催化材料成为目前的研究重点。
类石墨相氮化碳（g-C3N4）因其本身具有可见光响应性和良好的发展前景而备受关注，但是纯g-C3N4的比表面积小、光生载流子的分离率低，导致其光催化性能较低。
石墨相氮化碳的制备与光催化性能
石墨相氮化碳的制备与光催化性能李龙飞;姜代旬;潘凤丹;刘廓;杜芳林;曲晓飞;尹正茂【摘要】石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种半导体材料,它的禁带宽度约为2.7 eV,具有优异的物理和化学稳定性,并且其原料来源广泛,无毒,廉价,可以应用于产氢、降解有机染料及CO2的还原等领域.本研究以尿素为原料制备了g-C3 N4,研究了热聚合温度、反应时间对制备的g-C3N4光催化降解罗丹明B性能的影响,并考察了对甲基橙、亚甲基蓝等不同染料的光催化降解效果.结果表明:石墨相氮化碳对于罗丹明B和亚甲基蓝的降解效果较好(3h之内几乎完全降解),而对于甲基橙几乎没有降解效果;随着聚合温度的提高(600℃以下),反应时间的延长(9 h以内),产物的光催化降解染料的效果越好.【期刊名称】《青岛科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(040)002【总页数】6页(P36-41)【关键词】石墨相氮化碳;尿素;光催化降解【作者】李龙飞;姜代旬;潘凤丹;刘廓;杜芳林;曲晓飞;尹正茂【作者单位】青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042【正文语种】中文【中图分类】TQ129随着化石能源的枯竭和生态环境的破坏，能源短缺和环境污染问题引起了人们的高度重视。
各种合成染料生产过程中产生的废液和废料，对环境产生了严重威胁[1-2]。
在这些污染中，对环境威胁最大的部分是每年在世界范围内产生近7 000万t 的各种染料[3-4]，而这些有机染料即使极低的浓度(0.001 mg·L-1)也会对人们造成严重的健康危害。
znn4石墨相氮化碳
znn4石墨相氮化碳1.引言1.1 概述石墨相氮化碳（graphitic carbon nitride，简称g-C3N4）是一种新型的二维材料，具有丰富的化学和物理性质。
它由碳和氮原子组成，呈现出石墨结构的特征，具有高度晶化、优良的稳定性和良好的机械性能。
石墨相氮化碳的发现引起了广泛的研究兴趣，因为它具有许多潜在的应用领域。
首先，它具有优异的光电催化性能，能够在可见光下催化水分解产生氢气。
这对于解决能源危机和环境污染问题具有重要意义。
其次，石墨相氮化碳还具有良好的吸附性能和催化活性，可用于环境污染物的吸附和降解。
此外，它还在光伏器件、传感器、储能材料等领域具有广阔的应用前景。
现有的制备方法包括热蒸发法、溶胶凝胶法、水热法等，其中以热蒸发法制备的石墨相氮化碳具有较高的结晶度和比表面积。
然而，目前制备过程中还存在一些问题，如制备工艺复杂、产物纯度低等，需要进一步改进和优化。
综上所述，石墨相氮化碳作为一种新型的二维材料，在能源、环境和材料领域具有广泛的应用前景。
未来的研究应该着重解决制备工艺的问题，进一步优化其性能，为其应用提供更广阔的可能性。
1.2文章结构1.2 文章结构本文通过以下几个部分来详细介绍石墨相氮化碳（graphitic carbonnitride）的相关内容。
第一部分是引言，主要包括概述、文章结构以及目的。
在概述部分，将介绍石墨相氮化碳的基本背景和研究现状，为读者提供一个整体的认识。
文章结构部分将详细说明本文的章节安排和每个章节的内容，方便读者掌握整篇文章的结构。
目的部分将明确本文研究的目标和意义，为后续章节的内容提供指导。
第二部分是正文，主要包括石墨相氮化碳的定义和性质以及制备方法。
在2.1节中，将对石墨相氮化碳的定义进行详细解释，并介绍其主要的物理化学性质，如晶体结构、带隙能量等。
同时，还将探讨其在光催化、电催化和储能等领域中的应用潜力。
在2.2节中，将介绍石墨相氮化碳的制备方法，包括热聚合法、溶胶凝胶法、模板法等，并对各种制备方法的优缺点进行比较分析。
石墨相氮化碳的改性及其光催化制氢性能的研究共3篇
石墨相氮化碳的改性及其光催化制氢性能的研究共3篇石墨相氮化碳的改性及其光催化制氢性能的研究1随着能源危机的加剧和环境污染的严峻，绿色低碳能源成为当前各国共同的发展方向。
氢气作为一种清洁、环保的燃料，被广泛地应用于生产和生活中。
目前，石墨相氮化碳因具有良好的光催化性能和可控制备的特点，已成为制氢的研究热点。
石墨相氮化碳具有较低的能隙和良好的光催化性能，可使用可视光进行催化反应。
然而，由于其特殊的材料结构，如缺陷、孔道等，使得其催化活性局限于表面，从而限制了其在光催化制氢方面的应用。
因此，我们需要改性石墨相氮化碳，提高其活性表面积，增强其光催化制氢性能。
利用化学方法或物理方法改变石墨相氮化碳的结构和组分，可以提高其光催化活性和稳定性。
其中，掺杂、离子交换和微波辅助等技术在石墨相氮化碳的改性中得到了广泛应用。
例如，将掺杂不同的金属物质和接枝不同的有机分子到石墨相氮化碳的结构中，可以提高其表面活性位点的数目，增强其光吸收能力和转移电子的速率，提高其光催化制氢活性。
另外，石墨相氮化碳被广泛地应用于光解水制氢。
在该过程中，石墨相氮化碳作为光催化剂，在光照的条件下吸收能量，将水分子分解为氢气和氧气。
然而，由于石墨相氮化碳的光催化作用独特而复杂，因此需要对其光学性质、结构特征和反应机制进行深入的研究。
近年来，人们不断研究石墨相氮化碳的光催化制氢性能，并从材料、结构和功能三个方面进行了深入研究，取得了一系列显著的研究成果。
在材料方面，通过改变其表面形貌和化学组分，可以提高其光催化制氢性能，如利用不同的前体物制备不同形貌的石墨相氮化碳；在结构方面，通过改变其孔径大小、构建异质结构等方式来调节其催化性能，如采用Fe2O3包覆石墨相氮化碳来增强其催化活性；在功能方面，通过对其表面进行修饰或掺杂过渡金属或其他元素，可以改善其光催化活性和稳定性，在增强光催化制氢性能方面具有重要作用。
总之，石墨相氮化碳作为一种新型的光催化剂，具有广阔的应用前景。
硼氮共掺杂生物质炭的制备及吸附性能研究
第42卷第6期2023年6月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.6June,2023硼氮共掺杂生物质炭的制备及吸附性能研究许㊀蒙,郭玉呈,林国强,李建保,陈拥军,骆丽杰(海南大学材料科学与工程学院,南海海洋资源利用国家重点实验室,海口㊀570228)摘要:以木棉㊁硼酸(HBO 3)㊁尿素(CO(NH 2)2)为原料,在氨气(NH 3)气氛下通过高温反应制备了硼氮共掺杂生物质炭材料,利用聚乙烯亚胺(PEI)对硼碳氮(BCN)材料进行处理,得到PEI-BCN 材料,并研究了该材料的吸附性能㊂结果表明:当反应温度为1100ħ时,制备得到的BCN 材料为多孔结构,其平均孔径为11.0nm;BCN 材料的吸附能力优于生物质炭,经PEI 改性处理后,BCN 材料的吸附性能得到大幅提高,其对有机染料孔雀石绿(MG)的吸附量高达710.0mg /g;PEI-BCN 材料的吸附与准一级吸附动力学模型吻合,其对MG 的吸附属于Langmuir 等温吸附㊂关键词:硼碳氮材料;生物质炭;木棉;聚乙烯亚胺;高温反应;吸附;孔雀石绿中图分类号:X703㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)06-2242-09Preparation and Adsorption Properties of Boron-Nitrogen Co-Doped Biochar MaterialsXU Meng ,GUO Yucheng ,LIN Guoqiang ,LI Jianbao ,CHEN Yongjun ,LUO Lijie(State Key Laboratory of Marine Resource Utilization in South China Sea,School of Materials Science and Engineering,Hainan University,Haikou 570228,China)Abstract :Boron-nitrogen co-doped biochar material was prepared by high temperature reaction under ammonia (NH 3)atmosphere,using kapok,boric acid (HBO 3),and urea (CO(NH 2)2)as raw materials.The PEI-BCN material was obtained by treating boron-carbon-nitrogen (BCN)material with polyethyleneimine (PEI),and the adsorption properties of PEI-BCN material were studied.The results show that the prepared BCN material has a porous structure with an averagepore size of 11.0nm when the reaction temperature is 1100ħ.The adsorption property of BCN material is better than that of biochar,and after PEI modification,the adsorption property of BCN material is greatly improved.The adsorption amount of organic dye malachite green (MG)by PEI-BCN material is up to 710.0mg /g,showing excellent adsorption property.The adsorption of PEI-BCN material is consistent with the pseudo-first-order adsorption kinetics model,and the adsorption of MG by PEI-BCN material belongs to Langmuir isothermal adsorption.Key words :BCN material;biochar;kapok;polythyleneimine;high temperature reaction;adsorption;malachite green 收稿日期:2023-02-16;修订日期:2023-03-08基金项目:海南省重点研发计划(ZDYF2021XDNY196)作者简介:许㊀蒙(1997 ),女,硕士研究生㊂主要从事吸附材料的研究㊂E-mail:xmm2021@通信作者:骆丽杰,博士,副教授㊂E-mail:992767@0㊀引㊀言水环境污染一直是世界多国关注的问题㊂纺织㊁金属加工㊁化肥工业㊁制革厂等行业是水体污染的主要来源[1]㊂开发水体污染物去除技术,对生态经济的可持续发展具有重要意义㊂当前水体修复的技术主要包括吸附法[2]㊁膜技术[3]㊁化学沉淀[4]㊁离子交换[5]㊁混凝[6]㊁浮选[7]和臭氧化[8],其中吸附法具有低能耗㊁低污染㊁低成本等优点,在工业废水处理等领域具有广阔的应用前景㊂目前吸附法所用材料主要包括金属氧化物[9-10]㊁过渡金属硫族化合物[11-12]㊁过渡金属碳化物[13]㊁凝胶[14-16]㊁炭类材料[17-18]等,其中生物质炭来源丰富且可实现循环使用,但其吸附性能有待提高㊂而氮化硼具有宽的能隙㊁高的抗氧化性和化学惰性,特别是B N 键具有极性,表面缺陷较多,对重金属污染物和染料污染物都表现㊀第6期许㊀蒙等:硼氮共掺杂生物质炭的制备及吸附性能研究2243出优良的吸附性能[19-21]㊂因此,硼碳氮(BCN)材料作为一种新型材料,不但具有与石墨和BN纳米材料相近的优异力学性能,还具有优异的电学性能㊁光催化性能㊁抗氧化能力[22]㊂因此,相比于C和BN,BCN纳米材料可在B原子㊁N原子和C原子处提供更多的位点,而C原子的存在还可以削弱B和N之间的电子共轭结构,从而增加对污染物的吸附量[23]㊂综上所述,从化学改性的思路出发,在生物质炭材料中引入异类原子,有望提高炭类材料的吸附性能;通过调节B㊁C和N原子的比例,有望优化BCN材料的吸附性能,可使炭类材料在污水处理方面发挥更好的作用㊂木棉纤维属于丝状纤维,具有独特的中空结构,是一种用于吸附污染物的有前途的生物质炭材料[24]㊂然而,木棉表面的蜡层抑制了亲水性着色剂和含离子的溶液进入木棉表面,需要进行预处理以改变其固有的表面性质才能进行吸附[25]㊂综上所述,本文以木棉为原料,通过高温化学反应实现B㊁N原子共掺杂来制备生物质炭材料,并利用聚乙烯亚胺(PEI)改性来提高材料的表面性能㊂以Cr3+㊁Cu2+㊁罗丹明B(RB)㊁孔雀石绿(MG)为吸附质,考察了改性前后BCN材料的吸附性能㊂通过吸附动力学分析和等温吸附曲线拟合,系统研究了BCN材料的吸附过程㊂1㊀实㊀验1.1㊀材料的制备将海南当地收集的木棉去除杂质并用去离子水洗净,干燥后放入乙醇水溶液中,并加入次氯酸钠,用乙酸将混合溶液的pH值调至4.5,于80ħ下超声进行脱脂处理,以去除木棉纤维表面的蜡质成分,然后用去离子水清洗至pH呈中性,真空干燥备用㊂向烧杯中加入硼酸㊁尿素和适量的去离子水,将烧杯放置在60ħ的水浴锅中搅拌,使硼酸㊁尿素完全溶解在去离子水中,随后将处理过的木棉浸泡在溶液中,使木棉完全吸收溶液后进行24h冷冻干燥㊂将冷冻干燥后的样品置于氧化铝瓷舟中,于高温管式气氛炉中的高温恒温区进行热处理,并密封反应系统㊂加热前,对管式炉炉管进行排空处理㊂然后在流动N2保护下,以5ħ㊃min-1的升温速率升温至1000ħ后关闭N2,通入流动NH3,继续升温至1100ħ,保温4h㊂反应结束后,将NH3关闭,在N2保护下样品随炉冷却至室温,将样品取出,记为BCN㊂将上述得到的BCN浸泡在PEI中,放置在60ħ电热恒温水浴锅中一定时间,随后取出干燥备用,记为PEI-BCN㊂为了进行比较,将海南当地收集到的木棉直接进行碳化,取出干燥备用,记为C㊂1.2㊀吸附试验将一定量的吸附剂加入配制好的无机污染物(硝酸铬㊁硝酸铜)和有机污染物(罗丹明B和孔雀石绿)溶液,在25ħ的吸附条件下模拟水流吸附循环试验㊂在不同时间下取吸附溶液(10mL),迅速置入离心机离心(5min,3600r/min)分离,取澄清的上层离心液,做好时间标记后保存待测㊂使用紫外分光光度计测试浓度,并根据式(1)计算样品的平衡吸附量Q e㊂Q e=(C0-C e)VM(1)式中:C0为初始浓度,mg㊃L-1;C e为平衡浓度,mg㊃L-1;V为溶液体积,L;M为吸附剂质量,g㊂1.3㊀结构表征采用X射线衍射仪(Rigaku Smart Lab)㊁傅里叶变换红外光谱仪(PerkinElmer Frontier)㊁X射线光电子能谱仪(Thermo ESCALAB250XI)对样品的组成㊁结构进行表征㊂采用扫描电子显微镜(Thermoscientific Verios G4UC)㊁透射电子显微镜(Talos F200X)分析样品的表面形貌㊂利用微孔物理吸附分析仪(麦克ASAP2460)研究样品的比面积和孔隙结构㊂利用有机元素分析仪(UNICUBE)分析木棉的元素组成㊂2㊀结果与讨论2.1㊀XRD和FTIR分析图1(a)为不同反应温度(1000㊁1100㊁1200ħ)下产物的XRD谱㊂从图1(a)中可以看出,26ʎ和42ʎ分2244㊀新型功能材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷别对应BCN 材料类石墨烯结构的(002)晶面和(100)晶面[26]㊂随着温度升高,样品的结晶度提高㊂然而,根据密度理论函数[27],B N 键的能量稳定性高于其他键,所以高温不利于形成B C 键和N C 键,但有利于形成稳定的B N 键㊂由此推断反应温度过高,样品表面可能会生成氮化硼,因此反应温度选择1100ħ较适宜㊂从图1(b)中可以看出,799㊁1398cm -1处的特征吸收峰分别对应B N 键的横向振动和B N B 键的伸缩振动㊂3100㊁3500cm -1处存在的峰对应N H 键的伸缩振动和O H 键的伸缩振动,这些官能团的存在有利于后续吸附[28]㊂图1㊀不同温度下制备的BCN 样品的XRD 谱和FTIR 谱Fig.1㊀XRD patterns and FTIR spectra of BCN samples prepared at different temperatures 图2是BCN 样品经PEI 改性前后的FTIR 谱㊂图中显示BCN 的B N 键的横向振动峰和B N B 键的伸缩振动峰在790㊁1386cm -1左右,C N 键对应的峰在1660cm -1左右,而N H 键的伸缩振动峰在3150cm -1左右㊂对比BCN 样品,PEI 改性的BCN 样品(PEI-BCN)在N H 键处的峰值得到加强,这是由于PEI 接枝到BCN 样品中,使 NH 2数量增加,从而使该处的峰值得到增强;PEI 改性的BCN 样品(PEI-BCN)在1300cm -1左右的峰值有所增加,这归因于PEI 中的C N 键衍射峰增强㊂以上结果表明PEI 通过接枝方式成功对BCN 进行了改性㊂图2㊀BCN 样品改性前后的FTIR 谱Fig.2㊀FTIR spectra of BCN samples before and after modification 2.2㊀XPS 分析图3为BCN 样品的XPS 谱㊂从样品的全谱图中可以看出BCN 样品中包含了B㊁C㊁N 和O 元素㊂O 1s 峰可能归因于表面吸附的H 2O 和未反应的B O㊂高分辨率的B 1s㊁C 1s 和N 1s 光谱进一步证明了BCN 的成键特征和化学基团㊂从分峰拟合的结果来看,B 1s 特征峰在190.4㊁190.9㊁192.1eV 处的峰分别对应着B C㊁B N 和B O 键[29],C 1s 特征峰在284.7㊁285.5㊁286.7eV 处的峰分别对应着C B㊁C C 和C N 键[30],N 1s 特征峰在398.1㊁399.0㊁401.4eV 处的峰分别对应着N B㊁N C 和N H 键[31]㊂因此,可推断B㊁N 原子以成键的方式在生物质炭中实现掺杂㊂表1是经过计算后得到的BCN 的化学组成,其成分为第6期许㊀蒙等:硼氮共掺杂生物质炭的制备及吸附性能研究2245㊀B 0.41C 0.22N 0.37㊂㊀图3㊀BCN 样品的XPS 分析Fig.3㊀XPS analysis of BCN samples表1㊀BCN 样品的元素组成Table 1㊀Elemental composition of BCN samplesComposition B C N Atomic fraction /%4122372.3㊀显微结构分析图4(a)㊁(b)分别为木棉和脱脂木棉的SEM 照片㊂可以看出,木棉纤维直径均匀,表面光滑,而脱脂木棉纤维表面略显粗糙但仍保持中空结构㊂利用有机元素分析仪对脱脂木棉进行元素分析,发现本试验已经将木棉中的S㊁P 等脂肪有效去除,这可以增加木棉纤维表面的亲水性,为后续试验提供有利条件㊂图4(c)㊁(d)为BCN 样品在温度为1100ħ㊁升温速率为5ħ/min 条件下的SEM 照片㊂可以清楚地看到,BCN 样品呈多孔结构,并且还保留了木棉纤维的中空结构特征,样品的管壁表面还有许多微小的孔洞(见图4(d)中的放大图)㊂由于木棉纤维㊁HBO 3㊁CO(NH 2)2在热解过程中脱氢脱氧,产生大量的气体,在气体逸出过程中形成了多孔结构,这大大提高了材料的比表面积㊂2246㊀新型功能材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图4㊀木棉㊁脱脂木棉和BCN 样品的SEM 照片Fig.4㊀SEM images of kapok,defatted kapok,and BCN samples 2.4㊀TEM 分析图5为BCN 样品的TEM 表征结果㊂从图5(a)的高分辨TEM(HRTEM)照片可以看出,所得样品的晶格条纹杂乱,有结构缺陷,结晶度较差,样品存在的表面缺陷较多,提供的活性位点较多,有利于材料的吸附㊂测量结果显示BCN 样品(002)晶面的间距为0.345nm,这与XRD 计算结果相对应㊂图5(b)为样品的元素分布图,可以看到元素B㊁C㊁N 分布均匀,说明样品的主要成分为BCN㊂图5㊀BCN 样品的HRTEM 照片和元素面分布Fig.5㊀HRTEM image and elemental plane distribution of BCN samples 2.5㊀氮气吸附等温线为了进一步研究材料的比表面积和孔径分布,测定了BCN 样品和PEI-BCN 样品的氮气吸附-解吸等温线,如图6所示㊂样品的等温线呈IV 型,具有明显的滞后环㊂毛细凝聚现象使等温吸附与脱附曲线错位,产生部分吸附滞后现象,说明内部孔结构复杂[32]㊂通过比表面积测试仪测得BCN 材料的比表面积为73.67m 2/g㊂图7是BCN 样品和PEI-BCN 样品的孔径分布,可以看出BCN 样品的平均孔径为11.0nm㊂经过PEI 改性后,所得PEI-BCN 样品的孔径分布范围有所增加,孔径稍有增大,平均孔径为12.6nm,属于介孔结构㊂结合SEM 结果可以得出材料内部存在大孔㊁中孔和微孔,它们之间的相互连接能够促进离子快速传输[33]㊂因此改性后的BCN 具有多级孔结构,这使得材料拥有更加丰富的活性位点,从而能够提高BCN 材料对污染物的吸附效率㊂2.6㊀吸附性能选用两种无机污染物(Cr 3+㊁Cu 2+)和两种有机污染物(罗丹明B㊁孔雀石绿)作为吸附质,对改性前后BCN 的吸附性能进行了研究,如图8所示㊂从图8可以看出,PEI-BCN 对Cu 2+㊁Cr 3+㊁RB 和MG 的吸附量均明显高于BCN,且改性后BCN 材料对孔雀石绿的吸附能力高达710.0mg /g,这是由于PEI 被成功接枝到BCN 结构中㊂PEI 具有大量氨基( NH 2),经过PEI 改性过后,BCN 对离子的配位络合作用更强,对染料的吸附增强㊂Cr 3+的吸附量大于Cu 2+,这种行为可能与Cu 2+比Cr 3+半径大有关㊂BCN 材料的孔结构以介孔为主,因此,离子半径小的金属可以更多地进入吸附剂的孔中,与吸附剂的活性位点相互作用㊂MG 是带有第6期许㊀蒙等:硼氮共掺杂生物质炭的制备及吸附性能研究2247㊀电子的阴离子染料,RB 是阳离子染料,因此PEI-BCN 对MG 的吸附能力大于RB㊂图9为MG 不同初始浓度下C㊁BCN 和PEI-BCN 的吸附性能,可以看出吸附量随着初始浓度的增大而增大㊂这是由于在吸附过程中样品内部所具有的吸附位点数量是不变的,离子的初始浓度越高越有利于离子的传质,因此随着溶液初始浓度增大,样品对离子的吸附量也会增大㊂另外,可以看到BCN 对MG 的吸附性能也明显高于生物质炭材料㊂由此可见,通过B㊁N 掺杂炭材料,可以形成B N㊁C N 等极性键,增加材料表面缺陷结构,从而提高其吸附性能[19-21]㊂图6㊀BCN 和PEI-BCN 的氮气吸附-解吸等温线Fig.6㊀Nitrogen adsorption-desorption isotherm curves of BCN andPEI-BCN 图7㊀BCN 和PEI-BCN 的孔径分布Fig.7㊀Pore size distribution of BCN andPEI-BCN 图8㊀BCN 和PEI-BCN 在Cr 3+㊁Cu 2+㊁RB 和MG 初始浓度为50mg /L 的条件下的吸附性能Fig.8㊀Adsorption properties of BCN and PEI-BCN at initial concentration of 50mg /L for Cr 3+,Cu 2+,RB andMG 图9㊀MG 不同初始浓度下C㊁BCN 和PEI-BCN 的吸附性能Fig.9㊀Adsorption properties of C,BCN and PEI-BCN at different initial concentration of MG2.7㊀等温吸附模型吸附等温线可以反映吸附过程中吸附剂与被吸附剂之间的相互作用关系,推导出吸附的具体机理㊂PEI-BCN 在25ħ下对MG 的吸附等温线如图10所示㊂Q e 值先增大,随后趋于稳定㊂这是因为当吸附浓度较低时,吸附剂的结合位点足够吸附,而随着MG 浓度的不断增加,PEI-BCN 的固有吸附位点被MG 完全占有,吸附逐渐达到饱和㊂此外,利用Langmuir 和Freundlich 等温模型对吸附过程进行了拟合,其中Langmuir 等温模型是假设吸附发生在单层表面且吸附表面均匀,吸附剂颗粒相互独立,而Freundlich 等温模型假设吸附同时发生在单层和多层㊂表2为Langmuir 和Freundlich 等温吸附模型参数㊂从表2可以看出,Langmuir 模型的常数R 2达到了0.998,这说明拟合结果符合Langmuir 吸附模型,MG 的吸附过程主要为单分子吸附㊂2248㊀新型功能材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图10㊀Langmuir等温吸附和Freundlich等温吸附的拟合曲线Fig.10㊀Fitting curves of Langmuir isotherm adsorption and Freundlich isotherm adsorption表2㊀Langmuir等温吸附和Freundlich等温吸附模型参数Table2㊀Model parameters of Langmuir isothermal adsorption and Freundlich isothermal adsorptionLangmuir model Freundlich modelQ max/(mg㊃g-1)K L/(L㊃mg-1)R2K F/(mg㊃g-1)(L㊃mg-1)1/n n R2811.584 1.070.998374.5690.350.960㊀㊀注:Q max代表单层分子吸附剂能有效捕获的物质的量;K L和K F分别为Langmuir和Freundlich等温吸附模型的平衡吸附常数㊂2.8㊀吸附动力学图11为准一级和准二级吸附动力学拟合曲线以及ln(Q e-Q T)㊁T/Q T与时间T的关系曲线,其中Q T为T时刻的吸附量㊂表3为准一级和准二级吸附动力学模型拟合参数㊂可以看出,PEI-BCN材料对MG的吸附过程大致分为三个阶段:在初始的0~50min,PEI-BCN对MG的吸附速度快,为快吸附阶段;在50~180min,材料对MG的吸附速度较之前开始下降,为慢吸附阶段;180min后吸附速度基本不变,吸附基本达到平衡㊂从表3可以看出,准一级模型的R2值在0.999左右,高于准二级模型的R2值,说明准一级动力学模型更适合描述PEI-BCN对MG的吸附行为㊂由于所得BCN材料具有中空结构,在吸附过程中,MG离子可以快速地扩散至材料内部活性位点,从而被吸附㊂表3㊀准一级和准二级吸附动力学模型拟合参数Table3㊀Fitting parameters of pseudo-first-order and pseudo-second-order adsorption kinetics modelsMG concentration/ (mg㊃L-1)Pseudo-first-order Pseudo-second-orderQ e/(mg㊃g-1)Intercept R2Q e/(mg㊃g-1)Intercept R210160.271 6.5780.999184.1640.0570.995 20324.180 6.6550.992391.3860.0920.985 40660.867 5.8150.998833.8210.1400.996 50715.030 4.9100.999854.2710.1730.989第6期许㊀蒙等:硼氮共掺杂生物质炭的制备及吸附性能研究2249㊀图11㊀吸附试验结果Fig.11㊀Adsorption test results 3㊀结㊀论1)采用高温化学反应法利用天然木棉制备了BCN 多孔材料,其平均孔径为11.0nm,吸附性能优于生物质炭㊂2)经过PEI 改性后的PEI-BCN 材料的平均孔径为12.6nm,其吸附能力大幅增加,其中对MG 的吸附高达710.0mg /g㊂3)PEI-BCN 对MG 的吸附属于均匀表面单层分子的等温吸附㊂经过对比发现MG 的吸附动力学过程更符合准一级吸附动力学模型㊂参考文献[1]㊀ALALWAN H A,KADHOM M A,ALMINSHID A H.Removal of heavy metals from wastewater using agricultural by products[J].Journal ofWater Supply:Research and Technology-Aqua,2020,69(2):99-112.[2]㊀DAS R,VECITIS C D,SCHULZE A,et al.Recent advances in nanomaterials for water protection and monitoring [J].Chemical SocietyReviews,2017,46(22):6946-7020.[3]㊀曹国凭,赵㊀萍,李文洁.膜法水处理技术研究进展与发展趋势[J].水利科技与经济,2006,12(8):539-540+543.CAO G P,ZHAO P,LI W J.Study progress and development trend in water treatment technology of the membrane separation technology[J].Water Conservancy Science and Technology and Economy,2006,12(8):539-540+543(in Chinese).[4]㊀AMA O M,KUMAR N,ADAMS F V,et al.Efficient and cost-effective photoelectrochemical degradation of dyes in wastewater over an exfoliated graphite-MoO 3nanocomposite electrode[J].Electrocatalysis,2018,9(5):623-631.[5]㊀ISLAM M S,CHOI W S,NAM B,et al.Needle-like iron oxide@CaCO 3adsorbents for ultrafast removal of anionic and cationic heavy metal ions[J].Chemical Engineering Journal,2017,307:208-219.[6]㊀CHAKRABORTY R,ASTHANA A,SINGH A K,et al.Adsorption of heavy metal ions by various low-cost adsorbents:a review [J ].International Journal of Environmental Analytical Chemistry,2022,102(2):342-379.[7]㊀起冰翠,薛玉兰,林㊀强.浮选技术在环境综合治理中的应用[J].矿产保护与利用,1999(1):51-53.QI B C,XUE Y L,LIN Q.Applications of flotation technology to environmental comprehensive treatment[J].Conservation and Utilization ofMineral Resources,1999(1):51-53(in Chinese).[8]㊀王㊀郑,程星星,黄㊀雷,等.催化臭氧化技术在水处理中的应用研究进展[J].应用化工,2017,46(6):1214-1217+1233.WANG Z,CHENG X X,HUANG L,et al.Research application progress of catalytic ozonation technology in water treatment[J].AppliedChemical Industry,2017,46(6):1214-1217+1233(in Chinese).[9]㊀YANG Z H,MA J X,LIU F,et al.Mechanistic insight into pH-dependent adsorption and coprecipitation of chelated heavy metals by in situformed iron (oxy)hydroxides[J].Journal of Colloid and Interface Science,2022,608:864-872.[10]㊀毕玉玺,凌㊀辉,唐振平,等.磁性介孔TiO 2/氧化石墨烯复合材料的制备及其对U(Ⅵ)的吸附[J].复合材料学报,2019,36(9):2176-2186.BI Y X,LING H,TANG Z P,et al.Preparation of magnetic mesoporous TiO 2/graphene oxide composites and their adsorption for U(Ⅵ)[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2019,36(9):2176-2186(in Chinese).2250㊀新型功能材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷[11]㊀WANG Z Y,MI B X.Environmental applications of2D molybdenum disulfide(MoS2)nanosheets[J].Environmental Science&Technology,2017,51(15):8229-8244.[12]㊀SUN L F,XU K,GUI X F,et al.Reduction-responsive sulfur-monoterpene polysulfides in microfiber for adsorption of aqueous heavy metal[J].Journal of Water Process Engineering,2021,43:102247.[13]㊀ZHANG Y J,WANG L,ZHANG N N,et al.Adsorptive environmental applications of MXene nanomaterials:a review[J].RSC Advances,2018,8(36):19895-19905.[14]㊀ZHANG Y F,WU L,DENG H L,et al.Modified graphene oxide composite aerogels for enhanced adsorption behavior to heavy metal ions[J].Journal of Environmental Chemical Engineering,2021,9(5):106008.[15]㊀GENG B Y,XU Z Y,LIANG P,et al.Three-dimensional macroscopic aminosilylated nanocellulose aerogels as sustainable bio-adsorbents for theeffective removal of heavy metal ions[J].International Journal of Biological Macromolecules,2021,190:170-177.[16]㊀袁㊀琦,王玉珑,韩俊源,等.羧甲基纤维素钠/己二酸二酰肼水凝胶的制备及其重金属离子吸附性能研究[J].中国造纸学报,2021,36(4):38-47.YUAN Q,WANG Y L,HAN J Y,et al.Study on preparation of sodium carboxymethyl cellulose/adipic dihydrazide hydrogel and its adsorption performance for heavy metal ions[J].Transactions of China Pulp and Paper,2021,36(4):38-47(in Chinese).[17]㊀CAO Y,DHAHAD H A,HUSSEN H M,et al.Adsorption properties of two-dimensional carbon material towards the heavy metal ions[J].Journal of Molecular Liquids,2021,342:117500.[18]㊀FU Y K,QIN L,HUANG D L,et al.Chitosan functionalized activated coke for Au nanoparticles anchoring:green synthesis and catalyticactivities in hydrogenation of nitrophenols and azo dyes[J].Applied Catalysis B:Environmental,2019,255:117740.[19]㊀PAN X H,ZUO G C,SU T,et al.Polycarboxylic magnetic polydopamine sub-microspheres for effective adsorption of malachite green[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2019,560:106-113.[20]㊀LIU F,LI S,YU D F,et al.Template-free synthesis of oxygen-doped bundlelike porous boron nitride for highly efficient removal of heavy metalsfrom wastewater[J].ACS Sustainable Chemistry&Engineering,2018,6(12):16011-16020.[21]㊀LI S,LIU F,SU Y P,et al.Luffa sponge-derived hierarchical meso/macroporous boron nitride fibers as superior sorbents for heavy metalsequestration[J].Journal of Hazardous Materials,2019,378:120669.[22]㊀DOROZHKIN P,GOLBERG D,BANDO Y,et al.Field emission from individual B-C-N nanotube rope[J].Applied Physics Letters,2002,81(6):1083-1085.[23]㊀WEI Y C,WU P W,LUO J,et al.Synthesis of hierarchical porous BCN using ternary deep eutectic solvent as precursor and template for aerobicoxidative desulfurization[J].Microporous and Mesoporous Materials,2020,293:109788.[24]㊀BALELA M D L,INTILA N M,SALVANERA S R.Adsorptive removal of lead ions in aqueous solution by kapok-polyacrylonitrilenanocomposites[J].Materials Today:Proceedings,2019,17:672-678.[25]㊀ZHENG Y A,ZHU Y F,WANG A Q.Kapok fiber structure-oriented polyallylthiourea:efficient adsorptive reduction for Au(III)for catalyticapplication[J].Polymer,2014,55(20):5211-5217.[26]㊀SHI Y M,HAMSEN C,JIA X T,et al.Synthesis of few-layer hexagonal boron nitride thin film by chemical vapor deposition[J].Nano Letters,2010,10(10):4134-4139.[27]㊀NOZAKI H,ITOH ttice dynamics of BC2N[J].Physical Review B,1996,53(21):14161-14170.[28]㊀CI L J,SONG L,JIN C H,et al.Atomic layers of hybridized boron nitride and graphene domains[J].Nature Materials,2010,9(5):430-435.[29]㊀ZHANG L,HE Q,HUANG S,et al.A novel boron and nitrogen co-doped three-dimensional porous graphene sheet framework as highperformance Li-ion battery anode material[J].Inorganic Chemistry Communications,2018,96:159-164.[30]㊀SUN C L,MA F K,CAI L,et al.Metal-free ternary BCN nanosheets with synergetic effect of band gap engineering and magnetic properties[J].Scientific Reports,2017,7:6617.[31]㊀WU Z S,PARVEZ K,WINTER A,et yer-by-layer assembled heteroatom-doped graphene films with ultrahigh volumetric capacitance andrate capability for micro-supercapacitors[J].Advanced Materials,2014,26(26):4552-4558.[32]㊀李昊远.氮气吸附法的致密砂岩孔隙结构分析[J].云南化工,2019,46(12):87-90+94.LI H Y.Pore structure analysis of tight sandstone by nitrogen adsorption method[J].Yunnan Chemical Technology,2019,46(12):87-90+94 (in Chinese).[33]㊀SUN J T,ZHANG Z P,JI J,et al.Removal of Cr6+from wastewater via adsorption with high-specific-surface-area nitrogen-doped hierarchicalporous carbon derived from silkworm cocoon[J].Applied Surface Science,2017,405:372-379.。
石墨相氮化碳的改性及光催化降解有机污染物的研究
石墨相氮化碳的改性及光催化降解有机污染物的研究石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种新型的光催化材料，在环境污染治理方面备受关注。
然而，纯净的g-C3N4材料在一些特定条件下存在一些不足，导致其应用受到一定限制。
因此，通过对g-C3N4材料进行改性，可以提高其光催化活性，同时还可以拓宽其光催化应用的范围。
一种常见的改性方法是掺杂。
例如，通过掺杂金属离子，可以引入额外的能级，改变g-C3N4的能带结构和电子结构，从而提高光催化性能。
金属离子如铜、铜等的掺杂可以增强g-C3N4材料的可见光吸收能力，提高光催化降解有机污染物的效率。
另外，掺杂非金属元素如硼、硅、磷等也可以改善g-C3N4的光催化活性。
这些非金属掺杂元素能够改变材料的禁带宽度和表面活性位点的数量，从而提高材料的催化性能。
此外，通过复合材料的制备方法可以进一步提高g-C3N4的光催化性能。
与其他催化材料如二氧化钛（TiO2）、锌氧化物（ZnO）等的复合制备能够实现协同效应，提高整体光催化性能。
例如，将g-C3N4与金属氧化物（如Fe2O3、Bi2O3等）复合制备，可以增加活性位点的数量，提高光催化降解有机污染物的效率。
此外，g-C3N4还可以与其他材料如二维材料、纳米粒子等复合，实现掺杂效应，从而进一步提高光催化降解性能。
在光催化降解有机污染物方面，石墨相氮化碳通过捕捉光能并将其转化为活性物种如电子和空穴，从而实现有机污染物的氧化降解。
此外，光催化过程中空穴还可以与水和氧反应生成羟基和羟基自由基，从而进一步促进有机污染物的降解。
其光催化降解性能主要取决于光吸收能力、载流子分离和传输效率以及光生活性物种的产生等方面。
近年来，通过对g-C3N4的改性研究，已取得了一些重要的进展。
然而，现有的研究主要集中在材料的制备和光催化性能的表征上，对于其机理研究和实际应用仍然存在一定的不足。
因此，在未来的研究中，应该进一步探索g-C3N4的光催化机制，开发新的改性方法，提高材料的光催化降解性能。
一种硼钠双掺杂纳米层状类石墨相氮化碳及其制备方法和应用[发明专利]
![一种硼钠双掺杂纳米层状类石墨相氮化碳及其制备方法和应用[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/175b940319e8b8f67d1cb9c0.png)
专利名称：一种硼钠双掺杂纳米层状类石墨相氮化碳及其制备方法和应用
专利类型：发明专利
发明人：关荣锋,池宪虎,田亚西,张文惠,杨秀丽,邵荣
申请号：CN202010099405.0
申请日：20200218
公开号：CN111215118A
公开日：
20200602
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明属于无机光催化剂材料的技术领域，具体涉及一种硼钠双掺杂纳米层状类石墨相氮化碳的制备方法，该制备方法包括以下步骤：S1，将三聚氰胺溶于水得到三聚氰胺溶液，向三聚氰胺溶液中加入硝酸铵，反应完成后，将得到的固体产物进行煅烧，得到纳米层状结构g‑CN；S2，将所述纳米层状结构g‑CN与NaBH混合，再进行煅烧，冷却，得到硼钠双掺杂的纳米层状结构g‑CN。
本发明所述的制备方法获得的硼钠双掺杂纳米层状类石墨相氮化碳具有良好的光催化性能，具有较好的应用前景。
申请人：盐城工学院
地址：224051 江苏省盐城市亭湖区希望大道中路1号
国籍：CN
代理机构：北京五洲洋和知识产权代理事务所(普通合伙)
更多信息请下载全文后查看。
《熔融盐法制备石墨相氮化碳的结构调控及其光催化活性研究》范文
《熔融盐法制备石墨相氮化碳的结构调控及其光催化活性研究》篇一摘要：本研究针对熔融盐法制备石墨相氮化碳（g-C3N4）进行了系统的结构调控及其光催化活性的研究。
通过调整制备过程中的关键参数，成功实现了对g-C3N4的微观结构的有效调控，进而提升了其光催化性能。
本文详细阐述了实验设计、制备过程、结构分析以及光催化性能的评估，为石墨相氮化碳的进一步应用提供了理论依据和实验支持。
一、引言石墨相氮化碳（g-C3N4）因其独特的电子结构和化学稳定性，在光催化领域具有广阔的应用前景。
然而，其实际应用效果受到其结构特性的限制。
通过结构调控可以显著提升其光催化活性。
目前，熔融盐法因其简单易操作和可实现大批量生产的特点，在制备g-C3N4中得到了广泛应用。
本研究旨在通过调整熔融盐法制备过程中的关键参数，实现对g-C3N4的结构调控，并研究其光催化活性的变化。
二、实验材料与方法1. 材料准备：选用合适的氮源和碳源作为原料，如三聚氰胺、尿素等；熔融盐则选用常见的盐类如氯化钠、硫酸钠等。
2. 熔融盐法制备：在高温条件下，将原料与熔融盐混合，通过热处理过程使原料发生缩合反应，生成g-C3N4。
3. 结构调控：通过调整热处理温度、时间、原料与盐的比例等参数，实现对g-C3N4的结构调控。
4. 结构与性能分析：利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对样品的结构进行表征；通过光催化实验评估其光催化活性。
三、结果与讨论1. 结构表征：通过XRD分析发现，随着热处理温度的升高或时间的延长，g-C3N4的晶型逐渐完善，结晶度提高；SEM和TEM分析表明，适当调整原料与盐的比例可以调控g-C3N4的形貌，使其呈现出更加均匀的纳米片层结构。
2. 光催化活性评估：通过在可见光下降解有机污染物（如甲基橙）的实验，发现经过结构调控的g-C3N4具有更高的光催化活性。
其中，在适当的热处理温度和时间下，以及合适的原料与盐的比例下制备的g-C3N4表现出最佳的光催化效果。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、研究背景
相氮化碳（g-C3N4）是一种新型的可见光响应型光催化剂，具有良好的化学稳定性和光催化活性。
然而，g-C3N4的光催化活性受限于其
窄的光吸收范围和快速的电子-空穴复合。
为了提高g-C3N4的光催化性能，研究者们提出了多种改性方法，其中硼掺杂是一种有效的手段。
硼掺杂可以引入新的能级，拓宽光响应范围，改善载流子的分离和传输，从而提高光催化性能。
本研究的目的是通过硼掺杂来改善g-
C3N4的光催化性能，提高其光催化活性。
二、研究意义
1. 为环境保护提供新的解决方案：光催化技术可以利用可见光将有害
气体和污染物转化为无害的物质，对改善大气污染和水污染具有重要
意义。
2. 探索新型光催化剂的应用：硼掺杂石墨相氮化碳作为一种新型改性
光催化剂，研究其光催化性能可以为光催化材料的设计和应用提供新
思路。
3. 深入理解光催化反应机理：通过研究硼掺杂对光催化活性的影响，
有助于深入理解光催化反应机理，并为进一步改进光催化剂性能提供
理论依据。
三、研究内容和方法
本研究将采用硼掺杂的方法制备硼掺杂石墨相氮化碳（B-g-C3N4）光催化剂，并对其光催化性能进行系统研究。
具体研究内容和方法包括：
1. 合成和表征：采用高温固相法制备B-g-C3N4，并利用X射线衍射、透射电镜、紫外-可见漫反射光谱等手段对材料进行表征，确定其结构和光学性质。
2. 光催化性能测试：利用可见光光解苯酚和亚甲基蓝这两种模型污染
物来评估B-g-C3N4的光催化活性，通过检测反应体系中的降解效率
和产物的形成情况来评价其光催化性能。
3. 光催化机理研究：通过光电化学技术和时间分辨荧光光谱等手段，
探讨硼掺杂对载流子分离和传输过程的影响，揭示硼掺杂机制和光催
化反应机理。
四、研究创新点
1. 利用硼掺杂提高光催化活性：通过引入硼元素，拓宽g-C3N4的光
响应范围，增强光生电子-空穴对的分离和传输，从而提高其光催化活性。
2. 细致探讨光催化机理：通过表征光催化剂的结构和性质，揭示硼掺
杂对光催化反应过程的影响，深入理解硼掺杂机制和光催化机理。
五、研究预期
1. 提高光催化活性：硼掺杂B-g-C3N4具有更广泛的光响应范围和更高的载流子分离效率，预计光催化活性将显著提高。
2. 探索硼掺杂机制：通过系统研究硼掺杂对光催化性能的影响，将深
入理解硼掺杂机制和光催化反应机理。
3. 提供新理论支持：从实验结果中得出的结论将为改进光催化剂设计
和应用提供新的理论支持。
六、研究实施计划
1. 材料制备和表征：采用高温固相法制备不同硼掺杂量的B-g-C3N4，利用X射线衍射、透射电镜、紫外-可见漫反射光谱等手段对材料进行表征。
2. 光催化性能测试：利用可见光光解苯酚和亚甲基蓝这两种模型污染
物对B-g-C3N4的光催化活性进行评估，分析降解效率和产物形成情况。
3. 光催化机理研究：通过光电化学技术和时间分辨荧光光谱等手段，
深入探讨硼掺杂对载流子的分离和传输过程的影响，揭示硼掺杂机制
和光催化反应机理。
七、结论和展望
本研究旨在通过硼掺杂来改善g-C3N4的光催化性能，提高其光催化
活性。
预计研究结果将为光催化技术的发展提供新的理论支持，推动
环境保护和资源可持续利用。
本研究还将深入探讨硼掺杂机制和光催
化反应机理，为进一步改进光催化剂设计和应用提供理论基础。
希望
通过本研究，能为提高光催化剂性能和推动光催化材料的应用提供新
的思路和方法。