楊林芳

(呂梁學(xué)院 化學(xué)化工系，山西 離石 033001)

0 引言

伴隨著人類的活動，越來越多的化學(xué)垃圾被排放到大自然中，難降解的有機污染物就是其中一種，這些污染物中能夠自發(fā)降解的只有極小一部分，對人類的生命健康造成了極大的威脅[1-3].光催化技術(shù)是目前處理難降解有機污染物最有效的方法之一.這是一種新興的，高效的，節(jié)能的現(xiàn)代綠色環(huán)保技術(shù)，可以在可見光下降解多種污染物[4-7]. 光催化技術(shù)不僅可以用于處理水污染，而且還能應(yīng)對空氣污染，土壤污染和滅菌.光催化技術(shù)顯示出非常廣泛的應(yīng)用價值[7].

甲基橙，別稱為金蓮D，是一種有毒物質(zhì).該物質(zhì)不能在自然條件下自降解，對水體污染較大[8-10]，該實驗用甲基橙做模式污染物，探究實驗制備的光催化劑對甲基橙的降解性能.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：三聚氰胺(化學(xué)純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)；乙酸鋅(化學(xué)純，天津市光復(fù)精細化工有限公司)；甲基橙(化學(xué)純，天津北辰方正化工有限公司)；去離子水(分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司).

儀器：雙光束紫外可見分光光度計(UV-2100型，北京瑞利分析儀器公司)；恒溫電阻箱(SX-2.5-10型，天津市泰斯特儀器有限公司)；X-射線衍射儀(XRD)(XD2多晶X射線衍射儀，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)；掃描電子顯微鏡(JSM-6010PLUS/LV，上海通譜檢測技術(shù)有限公司)；電熱鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9070，上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR850，天津港東科技股份有限公司)；離心沉淀機(80-1，姜堰市新康醫(yī)療器械有限公司).

1.2 g-C3N4的制備

用分析天平稱取20 g三聚氰胺，并將其置于坩堝中，放入SX-2.5-10型恒溫電阻箱中，設(shè)置升溫速率為5℃/min進行升溫[14]，當(dāng)溫度升高至350攝氏度時使其保持1 h，后繼續(xù)使其升溫到389℃進行煅燒保持0.5 h，然后逐漸升溫到525℃，持續(xù)時間為4 h[15]，煅燒完成后自然冷卻至室溫，并用研磨套裝研磨1 h，最終得到淡黃色粉末g-C3N4.

圖1 石墨相氮化碳制備流程

1.3 ZnO的制備

用分析天平稱取10 g的乙酸鋅，并將其置于坩堝中，在370℃下放入恒溫電阻箱中進行煅燒，持續(xù)時間為2 h，最終得到白色粉末ZnO.

1.4 ZnO/g-C3N4的制備

將Zn(CH3COO)2·2H2O與g-C3N4分別以1∶1的質(zhì)量比例進行混合摻雜，并用研磨套具研磨均勻，后放置在恒溫電阻箱中在550℃下煅燒2 h[16]，最終得到了ZnO/g-C3N4復(fù)合材料.

1.5 樣品的物像形貌表征

該研究中利用X-射線衍射儀(XRD) 和掃描電子顯微鏡(SEM)測試所制備樣品的物相和形貌結(jié)構(gòu).

1.6 甲基橙標準溶液的配制

使用電子分析天平稱量5 mg的甲基橙試劑，并用去離子水將其溶解，分三次移至500 ml的容量瓶中，用膠頭滴管定容至刻度線，搖勻待用.

1.7 復(fù)合材料對甲基橙降解性能的測定

本研究采用甲基橙(MO)作為有機污染物，用紫外可見分光光度計對所得樣品的光催化性能進行測定.使用天平分別稱取ZnO、g-C3N4和ZnO/g-C3N4催化劑粉末各0.5 g于三200 ml燒杯中，分別加入200 ml濃度為10 mg/L的甲基橙溶液，并各加入一個小磁子，將燒杯放入磁力攪拌器上攪拌，在暗處持續(xù)攪拌40 min，取樣離心，并用UV-2100型雙光束紫外可見分光光度計測其吸光度A0.置于太陽光下，每隔一小時取樣離心，測其吸光度At，本實驗一共進行了7 d，最后根據(jù)數(shù)據(jù)計算降解率，繪制濃度曲線.

2 結(jié)果與分析

2.1 x射線衍射分析

圖2 a、b、c、d分別為g-C3N4、ZnO、ZnO/g-C3N4三者對比的XRD圖

圖2中的圖a為的g- C3N4XRD圖譜，從該譜圖中可以看出，2θ 為13．1°和 27．4°處出現(xiàn)衍射峰，屬于共軛芳香族化合物的層間堆疊[11]，表明蜜勒胺全部轉(zhuǎn)化為g-C3N4和層內(nèi)結(jié)構(gòu)單元的周期性排列，合成產(chǎn)物為層狀類石墨相氮化碳[16].

圖b為ZnO的XRD圖譜，從該譜圖中可以看出2θ為31.7°、34.2°、36.1°時出現(xiàn)衍射峰，2θ=47.5°、56.4°時也出現(xiàn)衍射峰，2θ=63.0°、66.5°、68.2°、69.3°處也出現(xiàn)衍射峰，說明該物質(zhì)為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu).

圖c為ZnO/g-C3N4的XRD圖譜，從該的譜圖中可以看出2θ為13．1°、和 27．4°、31.7°、34.2°、36.1°、47.5°都出現(xiàn)了特征吸收峰，說明復(fù)合材料中有ZnO和g-C3N4兩種物質(zhì)已經(jīng)充分復(fù)合.

圖d為這三種樣品的比對圖，由圖可以看出說明復(fù)合材料中有ZnO和g-C3N4兩種物質(zhì)的衍射峰.ZnO和g- C3N4已經(jīng)充分復(fù)合.

2.2 掃描電子顯微鏡分析

圖3的圖a為g-C3N4的SEM圖，從圖中可以看出，g-C3N4呈現(xiàn)出類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，并且其中存在大量空隙[12-14].圖b為ZnO的SEM表征圖，從圖中可以看出ZnO呈均勻的棍棒狀結(jié)構(gòu).圖c為ZnO/g-C3N4的表面形貌圖，從圖中可以看出摻雜ZnO的g-C3N4結(jié)構(gòu)發(fā)生了很明顯的變化，有納米團聚顆粒出現(xiàn)[15].

圖3 a，b，c分別為g-C3N4、ZnO、 ZnO-C3N4的SEM圖

2.3 光催化活性分析

圖4 ZnO,C3N4,ZnO-C3N4的光催化活性曲線圖5 ZnO,C3N4,ZnO-C3N4的光催化降解率

由圖4可以看出隨著時間的推移甲基橙的吸光度A0在逐漸下降，通過公式：

((A0-At)/A0)*100%

(1)

計算得到了ZnO，g-C3N4，ZnO/g-C3N4的光催化甲基橙的降解率，如圖5所示，ZnO為24.80%、g-C3N4為69.73%、ZnO-C3N4復(fù)合材料為84.66%.表明ZnO-C3N4復(fù)合材料對甲基橙的光催化性能比ZnO和g-C3N4的都好，g-C3N4和ZnO這兩種材料復(fù)合之后可以顯現(xiàn)出更好的光催化性能.

3 結(jié)論

本研究成功制備出了g-C3N4以及ZnO/g-C3N4復(fù)合材料.研究了ZnO、g-C3N4和ZnO/g-C3N4復(fù)合材料對甲基橙的可見光催化降解性能.計算得到ZnO，g-C3N4，ZnO/g-C3N4的光催化降解率，分別為24.80%、69.73%、84.66%.表明ZnO/g-C3N4復(fù)合材料比g-C3N4和ZnO的光催化降解性能更好.

ZnO/g-C3N4復(fù)合材料作為一種新型材料在光催化應(yīng)用的領(lǐng)域表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性，對處理甲基橙這種有機污染物有很明顯的效果，但是人類對環(huán)境產(chǎn)生的污染物不僅有這些，還有重金屬、汞、鎘、鉛、氰化物、有機磷及其他無機污染物，所以還需進一步的研究.