文摘

新型石墨碳氮化(g c3N4)涂布TiO2纳米复合材料是由一个简单和具有成本效益的固态热处理方法的尿素和商业TiO的混合物2。因为C3N4是分散的,涂在TiO吗2纳米粒子,和g c3N4/ TiO2纳米复合材料显示增强吸收、光催化性能在可见光区域。做好准备的g c3N4涂布TiO2纳米复合材料在450°C下表现出高效的可见光催化活性水MB退化由于增加可见光吸收和增强MB吸附。的g c3N4涂布TiO2纳米复合材料将广泛应用在环境修复和太阳能转换。

1。介绍

可见光的光催化已经吸引了全世界的关注由于其潜在的应用在环境修复和太阳能能量转换(1- - - - - -7]。的光催化剂TiO2然而,只能利用紫外光(大约5%的自然太阳能灯)由于其宽的带隙(3.2 eV锐钛矿TiO2)。在过去40年里,许多努力一直致力于提高TiO的可见光催化活性2,包括金属掺杂(8- - - - - -10,非金属掺杂11- - - - - -14),表面改性15),和异质结结构16- - - - - -19]。

近年来,聚合物g c3N4吸引了太多的关注,因为他们的相似材料石墨烯。张等人报道,聚合物g c3N4半导体具有高可见光照射下光催化水分解的性能(20.]。盾和协同工作报道,聚合物g c3N4分层材料新颖高效可见光的光催化剂,可以轻易地通过直接加热合成尿素和硫脲(21,22]。

最近,周等人报道g c3N4/ TiO2纳米管阵列异质结的可见光催化活性(17]。赵等人报道g c3N4/ TiO2混合动力车与宽吸收波长和有效photogenerated电荷分离(18]。然而,g c的前兆3N4(双氰胺和三聚氰胺)是有毒、有害的环境。制备过程相对繁琐,这可能阻止大规模应用程序(17,18]。

在目前的工作,g c3N4/ TiO2纳米复合材料是由一个简单且经济有效的使用尿素和商业TiO固态法2作为前体。这是有趣的发现g c3N4是原位表面涂层TiO2。前体(尿素和商业TiO2低成本和容易。做好准备的g c3N4涂布TiO2纳米复合材料表现出可见光照射下的光催化活性增加。

2。实验

2.1。合成

的g c3N4涂布TiO2纳米复合材料是由一个简单和具有成本效益的固态法。在一个典型的合成,2 g TiO2和6 g尿素沉浸在10毫升H2O和干60°C到完全去除水。混合物被放入一个氧化铝坩埚盖,然后加热到一定的温度范围内的400和600°C的马弗炉1小时15°C的升温速率最小−1。最后的样本收集使用没有进一步的治疗。

2.2。描述

样品的晶体阶段通过x射线衍射分析了铜Kα辐射(XRD:模型D / max RA, Rigaku有限公司,日本)。考察了样品的形态和结构透射电子显微镜(TEM: jem - 2010、日本)。紫外可见漫反射光谱得到的干压盘样品用扫描紫外可见分光光度计(紫外可见DRS: uv - 2450、日本岛津公司、日本)配备一个积分球组装、使用贝索4反射样品。空气中的光谱被记录在室温范围从250到800纳米。x射线光电子能谱与艾尔·Kαx射线(hν在150 W = 1486.6 eV)辐射操作(XPS:热ESCALAB 250,美国)被用来调查表面性质。结合能的变化由于相对表面充电是纠正使用c1水平284.8 eV作为内部标准。那些时光Nexus光谱仪红外光谱被记录在Nicolet样本嵌入KBr丸。押注氮adsorption-desorption等温线测定的方法(尽快BET-BJH: 2020年,美国)的表面积、孔隙体积、平均孔隙直径计算采用BJH方法。所有的样品都脱气测量之前在200°C。

2.3。光催化活性的评价

g c催化活性的3N4/ TiO2MB的光降解是评估在石英玻璃反应堆。0.05克N-TiO2分散在MB水溶液(50毫升,5 mg / L)。光辐照系统包含一个500 W氙灯外套充满了流动和恒温器水NaNO2解决方案(1米)和灯之间的反应室作为一个过滤器来阻挡紫外线( nm)和消除温度效应。暂停首次允许达到adsorption-desorption均衡连续搅拌辐照前60分钟在黑暗中。MB的降解率是评估使用紫外可见吸收光谱测量的最大吸收峰值的MB的解决方案。在辐照,5毫升的悬架是不断地从反应细胞在给定的时间间隔为后续离心后染料浓度分析。MB的解决方案显示了一个类似的pH值为6.8,这并不影响光吸收MB。MB的最大吸收波长665纳米。降解率η(%)可以计算的 在哪里 是MB考虑MB的初始浓度吸附在催化剂和吗 是修改后的辐照后浓度。

3所示。结果与讨论

图1显示的x射线衍射模式和g c3N4涂布TiO2纳米复合材料在不同的温度下。所有样品的峰值可以被索引TiO的锐钛矿阶段2(JCPDS文件号21 - 1272)。可以看出,更高的治疗温度下的峰值强度逐渐增加,这表明TiO的晶体尺寸2纳米复合材料在更高的治疗温度增加。没有g c的典型的山峰3N4可以找到的所有的样品由于g c3N4与TiO表面的分层结构2超薄(图2)和结晶度较低(22]。


图1
XRD的C模式3N4/ TiO2纳米复合材料在不同温度下获得的。
(一)
(一)
(b)
(b)
图2
纯TiO的显像2(一)和g c3N4/ TiO2纳米复合材料试样在450°C (b)获得的。

纯TiO的形态2和g c3N4/ TiO2纳米复合材料是由TEM观察到。如图2,样品都含有许多TiO的单分散的纳米颗粒2大小约11 nm。粒子的intra-aggregation可能形成介孔结构23]。从图可以看出2 (b)超薄的g c3N4分层结构是分散和表面涂层TiO2粒子,这是符合g c的高峰3N4在XRD(图1)。

纯TiO的傅立叶变换红外光谱2和g c3N4涂布TiO2纳米复合材料在图所示3(一个)。吸收带约400 - 800厘米−1是由于Ti-O债券(23]。一些乐队在1100 - 1650厘米−1对应于典型的伸缩振动g c的CN杂环化合物3N4。三嗪单元的特征振动模式也可以发现801厘米−1(22]。峰值为1630厘米−1与水分子的弹性振动对样本,包括分子水和羟基23]。傅立叶变换红外光谱进一步证实g c的存在3N4TiO的表面上2。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
红外光谱纯TiO的光谱2和g c3N4/ TiO2纳米复合材料(a)和TG-DSC取暖TiO的混合物2和尿素(b)。

TG和DSC热分析图(图3 (b))显示,有几个在加热阶段转换。一个吸热的峰值在135°C是尿素的熔点。高峰在242°C的反应表明尿素三聚氰胺。减肥期间两个阶段迅速减少了36.1%。顶点在367°C意味着热缩合的三聚氰胺到g C3N4发生在这个温度范围。这个阶段的减肥是26.6%左右。4.8%的进一步减肥吸热的峰值在520°C可以归因于g C的分解3N4。TG-DSC结果意味着g c3N4可以原位TiO的表面上形成的2,这是与图一致2 (b)。

c1光谱图4(一)显示两个主要碳物种284.9和288.1 eV的结合能,分别对应于碳碳和C-N-C。三个结合能n1地区(图4 (b))可以被观察到,它可以被索引C-N-C (398.8 eV), N - (C)3(400.1 eV),分别和h组(401.2 eV)。在529.7和533.0 eV结合能可以归因于Ti-O,表面羟基和吸附水分子(数字4 (c)和4 (d))[22]。XPS结果与红外光谱一致。XPS结果还表明没有峰值Ti-C或Ti-N债券可以观察到,这意味着没有化学键g c之间的联系3N4和TiO2。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图4
的XPS谱和C3N4涂布TiO2纳米复合材料在450°C。

氮adsorption-desorption纯TiO的等温线2和g c3N4/ TiO2纳米复合材料获得450°C以下图所示5(一个)。两个样本显示H IV型吸附等温线2磁滞回线的范围( 0.6 - -1.0),这表明中孔的存在。纯TiO的表面积和孔隙体积2是78米2/ g和0.281厘米3高于g c / g3N4/ TiO2纳米复合材料(48米2/ g和0.216厘米3/ g)。孔隙大小分布曲线(图5 (b))表明,纯TiO的大间隙孔2和g c3N4/ TiO2纳米复合材料分别约37和48海里。大的中孔的存在可以归因于TiO的聚合2粒子。它可以观察到g c3N4/ TiO2纳米复合材料有小间隙孔约13.6 nm(插图图5 (b)),这源于分层g c的存在3N4在TiO2表面。小间隙孔便于提高反应物的吸附。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
BET-BJH纯TiO的2和C3N4涂布TiO2纳米复合材料在450°C下获得的。

图6显示纯TiO的DRS紫外可见光谱2和和g c3N4/ TiO2纳米复合材料。很明显,g c的可见光吸收3N4/ TiO2纳米复合材料是提高治疗温度增加到450°C。然后可见光吸收降低,当温度高于450°C。这一事实意味着和g c3N4涂布TiO2纳米复合材料在450°C下可能表现出优异的可见光催化活性。然而,降低涂布TiO的可见光吸收强度2纳米复合材料在更高的治疗温度可以归因于g c的分解3N4。


图6
纯TiO的紫外可见DRS2和g c3N4/ TiO2样品在不同温度下获得的。

图7显示纯TiO的吸附和催化活性2和g c3N4/ TiO2纳米复合材料去除的MB。可以看出,g c3N4/ TiO2450°C下获得的纳米复合材料表现出最高的吸附能力,这可能归因于存在分层g C3N4和小间隙孔的纳米复合材料样品。g c的光催化活性3N4/ TiO2纳米复合材料与处理温度的增加先增加然后减少。纯TiO2显示低可见光活动由于其较大的带隙。观察到轻微的可见光纯TiO的活动2样品可以归因于MB作为MB的光敏作用效应能吸收可见光(18]。在可见光照射,MB self-decomposed是因为光敏作用的一部分。当TiO2是由g c涂层3N4,所有的纳米复合材料样本显示良好的可见光活性。在可见光照射下,g c3N4的带隙2.7 eV是兴奋,photogenerated电子转移传导带(CB)的g c3N4TiO的CB2(17,18,24]。价带中的空穴(VB) g c3N4和电子TiO的CB2可以启动以下降解反应。做好准备的g c3N4/ TiO2450°C下纳米复合材料表现出可见光照射下的光催化活性最高。考虑到g c的表面积3N4/ TiO2纳米复合材料(48米2/ g)低于纯TiO2(78米2/ g), g c的表面积3N4/ TiO2不是一个积极的因素。增强的可见光g c的活性3N4/ TiO2应归因于增强可见光吸附因为g c的存在3N4(数据2 (b)和6)和改进的MB吸附因为小间隙孔的纳米复合材料样本(图5 (b))。作为前体(尿素和商业TiO2)是廉价和制备方法很简单,做好准备的g c3N4涂布TiO2纳米复合材料是准备大规模应用于环境污染控制和太阳能能量转换(25]。


图7
纯TiO的吸附和催化活性2和g c3N4/ TiO2样品在不同温度下获得的MB。

4所示。结论

的g c3N4/ TiO2纳米复合材料合成的具有成本效益的固态热处理方法的尿素和商业TiO的混合物2。发现TiO的表面2粒子涂了原位形成薄层g c3N4从尿素。吸附容量和可见光催化活性明显提高。在450°C的优化治疗温度,g C3N4/ TiO2纳米复合材料表现出最高的吸附容量和可见光催化活性对切除MB。增强的吸附能力可以归结于g c的存在3N4和小间隙孔。增强的可见的可见光催化活性起源于增加吸附和小间隙孔的纳米复合材料样品。这部小说g c3N4涂布TiO2具有成本效益的固态纳米复合材料制备的方法找到广泛应用于环境修复。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究从CQ CSTC财务支持的关键项目(cstc2013yykfB50008),从重庆市教育委员会科技项目(KJZH11214、KJ120713 KJTD201314, KJTD201020, KJ130725,和KJ090727),重庆工商大学的关键学科开发项目(1252001),国家自然科学基金(51108487),和自然科学基金项目的CQ CSTC (cstc2012jjA20014 CSTC2010BB0260)。