多级孔硅藻土载铁氮化碳可见光催化cr6+的性能研究(附件)
本课题将掺杂Fe3+的氮化碳(C3N4)负载在硅藻土(G)上，制备硅藻土载铁C3N4复合可见光催化剂(F-G-C3N4)，并将其应用于水体中Cr6+的光催化还原，同时提高光催化效率及吸附效率。使用扫描电镜、X射线衍射分析、傅里叶红外光谱等对F-G-C3N4进行表征。通过模拟水中Cr6+的光催化还原，探讨pH值、温度对光催化还原效果的影响机制。结果表明，F-G-C3N4光催化活性明显优于单纯的C3N4,其中，当Fe3+浓度为0.53g/L时，G与C3N4配比1:3的光催化还原效果最佳，并且在120 min后还原效率达到95%。在pH值为3时，还原效率最高,最终达到93%。经过7次的循环试验，还原效率降低的范围在5%以内。最终对光催化还原的机理进行了解释。关键词硅藻土，氮化碳，可见光催化，六价铬
目录
1 绪论 1
2实验部分 2
2.1 实验仪器 3
2.2实验药品 3
2.3 实验方法 3
2.3.1材料的制备方法 4
2.3.2表征方法 4
2.3.3光催化活性实验 5
3结果与讨论 5
3.1材料的表征 5
3.1.1SEM分析 5
3.1.2 XRD分析 6
3.1.3 FTIR分析 7
3.1.4 UVVis DRS分析..........................................................................................................8
3.2光催化还原.......................................................................................................................8
3.2.1不同实验工艺与纯C3N4的光催化还原效率比较 .8
3.2.2 pH值对光催化还原效率的影响 9
3.2.3循环性能分析及机理解释........................................ *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
..................................................10
3.2.4 “三废”及处理方案.......................................................................................................11
结论与展望 13
致 谢 14
参考文献 15
1 绪论
1.1 C3N4的制备
铬，属于有毒重金属。铬污染主要来源于工业生产，如制革废水，劣质化妆品原料及制革废水。铬的主要形态Cr6+和Cr3+，虽然是同一种金属，但是两种价态的行为却大不相同。Cr3+主要存在与土壤和沉积物中，土壤中有机或无机胶体能强烈吸附Cr3+。而Cr6+的活性低并且毒性强，具有较高的溶解性和流动性。铬在环境中不会还原，只能通过转化，迁移的方式消除。
目前，水体中Cr6+的处理方法有生化处理方法[1]，物化处理方法，化学处理方法和植物修复处理方法。生化处理法是通过微生物酶的催化转化，代谢产物的还原，絮凝和沉淀作用等多种方式将可溶性Cr6+转变为不可溶性化合物，最终将其去除，用得最多的就是硫酸盐生物还原法。物化法则是利用化学物理相结合，将Cr6+进行吸附，膜分离或离子交换，进一步去除化学处理法则包括铁氧体法和电解法等。植物修复法是利用植物的吸收，固定，转化分解将土壤中的Cr6+沉积于植物根部，然后被还原降为Cr3+。
半导体光催化还原技术最近被认为是Cr6+具有吸引力的替代技术。它可以减少高毒性Cr6+的毒性。但是，Cr6+可以通过光产生的电子或其他的电子来减少活跃的物种。因此设计和开发可见光催化剂是非常必要的[25]，并且成为当今光催化的研究热点。
石墨相氮化碳(gC3N4)作为一种非金属半导体，具有类似石墨烯的结构,因为其良好的稳定性和可见光吸收性能，在污染物光催化领域有着重要的应用价值[610]。 作为污染物还原还原的催化剂受到了关注。然而C3N4的比表面积小、光生载流子复合率高、量子效率低和禁带宽度较大无法多次循环使用，因此，需对其进行表面改性以提高其可见光催化活性[1112]。目前，主要通过金属表面修饰、离子掺杂、构筑异质结等方法来提高体催化活性[13]。通过对C3N4改性可以提高光催化性能，即通过改性抑制光生电子空穴复合，从而增加光电子的产生量以及提高光催化的活性，也可以使用改性来增大C3N4的可见光响应范围，使其吸收更多的可见光[1415]，从而提高对太阳光的利用率。
1.2 提高C3N4可见光催化活性的方法
通过对C3N4改性可以提高光催化性能。本实验利用的是金属掺杂的方法来提高光生电子的产率，而且可以提高C3N4对紫外可见光的响应范围，以此来提高C3N4的光催化效率。常见的改性方法包括非金属掺杂，贵金属沉积，半导体复合，染料敏化等。其中，利用金属离子掺杂可提高其光生电荷分离效率及拓宽光响应范围，引起科学家的广泛关注。铁离子掺杂改性纳米二氧化钛，铁离子掺杂氧化钛等都是极其有效的一种方式。
金属离子掺杂主要是利用浸渍法，配置成金属离子溶液，然后将G试样加入烧杯中，搅拌成溶胶状态，干燥后就能得到表面含有金属离子的G，金属离子也就掺杂在G上了。将硝酸铁和尿素混合制备成不同含铁量的Fe掺杂C3N4，铁离子负载在C3N4上并未改变C3N4的石墨相结构,且有效降低了C3N4催化剂的禁带宽度,拓宽了催化剂对可见光的响应范围,提高了催化剂对可见光的利用率。研究结果表明掺杂过铁离子的C3N4紫外可见光吸收的范围增大，光催化还原的能力得到了提高[1617]。
载体负载是通过G来增大C3N4的比表面积，拓宽其可见光的吸收范围，从而提高光催化还原能力。最为广泛的吸附剂主要有SiO2、Al2O3、石墨烯、分子筛、活性炭、活性碳纤维和天然黏土等，活性炭和活性碳纤维由于比表面积大且对污染物的补集[7]能力较强因此被广泛引用。但是容易被温度影响，从而能力下降，如果通过改性的方法提高经济效益太低。相较而言，G不仅价格低廉，G表面蓬松多孔，能够很好地将目标物吸附在其表面，因此常用来作为吸附剂，催化剂等试剂的载体[18]。徐垚通过改性后的G负载C3N4，制备出不同比例的C3N4，以此来比较C3N4的性能[19]。
G是一种天然的黏土矿物，G主要是由SiO2组成，但含有少量金属氧化物的有机杂质。G表面蓬松多孔，G表面蓬松多孔而且吸附性能好，因此常用来作催化剂助滤剂等试剂的载体。G较好的特性适合被用来做载体负载C3N4[20]。但由于自然界中的G的原材料中含有太多的有机杂质，因此在制备催化剂载体之前需要对其进行改性提纯。目前主要通过物理，化学，物理化学相结合的方法来改性G[2122]。
目录
1 绪论 1
2实验部分 2
2.1 实验仪器 3
2.2实验药品 3
2.3 实验方法 3
2.3.1材料的制备方法 4
2.3.2表征方法 4
2.3.3光催化活性实验 5
3结果与讨论 5
3.1材料的表征 5
3.1.1SEM分析 5
3.1.2 XRD分析 6
3.1.3 FTIR分析 7
3.1.4 UVVis DRS分析..........................................................................................................8
3.2光催化还原.......................................................................................................................8
3.2.1不同实验工艺与纯C3N4的光催化还原效率比较 .8
3.2.2 pH值对光催化还原效率的影响 9
3.2.3循环性能分析及机理解释........................................ *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
..................................................10
3.2.4 “三废”及处理方案.......................................................................................................11
结论与展望 13
致 谢 14
参考文献 15
1 绪论
1.1 C3N4的制备
铬，属于有毒重金属。铬污染主要来源于工业生产，如制革废水，劣质化妆品原料及制革废水。铬的主要形态Cr6+和Cr3+，虽然是同一种金属，但是两种价态的行为却大不相同。Cr3+主要存在与土壤和沉积物中，土壤中有机或无机胶体能强烈吸附Cr3+。而Cr6+的活性低并且毒性强，具有较高的溶解性和流动性。铬在环境中不会还原，只能通过转化，迁移的方式消除。
目前，水体中Cr6+的处理方法有生化处理方法[1]，物化处理方法，化学处理方法和植物修复处理方法。生化处理法是通过微生物酶的催化转化，代谢产物的还原，絮凝和沉淀作用等多种方式将可溶性Cr6+转变为不可溶性化合物，最终将其去除，用得最多的就是硫酸盐生物还原法。物化法则是利用化学物理相结合，将Cr6+进行吸附，膜分离或离子交换，进一步去除化学处理法则包括铁氧体法和电解法等。植物修复法是利用植物的吸收，固定，转化分解将土壤中的Cr6+沉积于植物根部，然后被还原降为Cr3+。
半导体光催化还原技术最近被认为是Cr6+具有吸引力的替代技术。它可以减少高毒性Cr6+的毒性。但是，Cr6+可以通过光产生的电子或其他的电子来减少活跃的物种。因此设计和开发可见光催化剂是非常必要的[25]，并且成为当今光催化的研究热点。
石墨相氮化碳(gC3N4)作为一种非金属半导体，具有类似石墨烯的结构,因为其良好的稳定性和可见光吸收性能，在污染物光催化领域有着重要的应用价值[610]。 作为污染物还原还原的催化剂受到了关注。然而C3N4的比表面积小、光生载流子复合率高、量子效率低和禁带宽度较大无法多次循环使用，因此，需对其进行表面改性以提高其可见光催化活性[1112]。目前，主要通过金属表面修饰、离子掺杂、构筑异质结等方法来提高体催化活性[13]。通过对C3N4改性可以提高光催化性能，即通过改性抑制光生电子空穴复合，从而增加光电子的产生量以及提高光催化的活性，也可以使用改性来增大C3N4的可见光响应范围，使其吸收更多的可见光[1415]，从而提高对太阳光的利用率。
1.2 提高C3N4可见光催化活性的方法
通过对C3N4改性可以提高光催化性能。本实验利用的是金属掺杂的方法来提高光生电子的产率，而且可以提高C3N4对紫外可见光的响应范围，以此来提高C3N4的光催化效率。常见的改性方法包括非金属掺杂，贵金属沉积，半导体复合，染料敏化等。其中，利用金属离子掺杂可提高其光生电荷分离效率及拓宽光响应范围，引起科学家的广泛关注。铁离子掺杂改性纳米二氧化钛，铁离子掺杂氧化钛等都是极其有效的一种方式。
金属离子掺杂主要是利用浸渍法，配置成金属离子溶液，然后将G试样加入烧杯中，搅拌成溶胶状态，干燥后就能得到表面含有金属离子的G，金属离子也就掺杂在G上了。将硝酸铁和尿素混合制备成不同含铁量的Fe掺杂C3N4，铁离子负载在C3N4上并未改变C3N4的石墨相结构,且有效降低了C3N4催化剂的禁带宽度,拓宽了催化剂对可见光的响应范围,提高了催化剂对可见光的利用率。研究结果表明掺杂过铁离子的C3N4紫外可见光吸收的范围增大，光催化还原的能力得到了提高[1617]。
载体负载是通过G来增大C3N4的比表面积，拓宽其可见光的吸收范围，从而提高光催化还原能力。最为广泛的吸附剂主要有SiO2、Al2O3、石墨烯、分子筛、活性炭、活性碳纤维和天然黏土等，活性炭和活性碳纤维由于比表面积大且对污染物的补集[7]能力较强因此被广泛引用。但是容易被温度影响，从而能力下降，如果通过改性的方法提高经济效益太低。相较而言，G不仅价格低廉，G表面蓬松多孔，能够很好地将目标物吸附在其表面，因此常用来作为吸附剂，催化剂等试剂的载体[18]。徐垚通过改性后的G负载C3N4，制备出不同比例的C3N4，以此来比较C3N4的性能[19]。
G是一种天然的黏土矿物，G主要是由SiO2组成，但含有少量金属氧化物的有机杂质。G表面蓬松多孔，G表面蓬松多孔而且吸附性能好，因此常用来作催化剂助滤剂等试剂的载体。G较好的特性适合被用来做载体负载C3N4[20]。但由于自然界中的G的原材料中含有太多的有机杂质，因此在制备催化剂载体之前需要对其进行改性提纯。目前主要通过物理，化学，物理化学相结合的方法来改性G[2122]。
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