紅色氮化碳光催化劑的合成及其降解雙酚A性能的考察

徐遠國 馬云

摘 要：本實驗旨在科研實驗基礎上構建一個綜合性的化學教學實驗。1. 通過簡單的煅燒法獲得紅色氮化碳光催化劑；2. 采用X射線衍射（XRD）光譜、紅外（FTIR）光譜、紫外-可見漫反射（UVVis DRS）光譜等表征手段對紅色氮化碳的組成、結構進行了分析；3. 以雙酚A作為目標污染物、在模擬太陽光的光源（氙燈）照射下，研究紅色氮化碳光催化去除無色污染物的能力。本實驗的教學目的在于讓學生學習和了解光催化的基本原理及相關知識，基本掌握制備光催化劑材料的方法（煅燒法），常用的材料測試手段，及光催化劑降解環(huán)境污染物性能的評價方法。

關鍵詞：光催化；煅燒法；紅色氮化碳；雙酚A

眾所周知，綜合性的化學實驗是由化學分支學科中的一些重要的實驗方法和實驗技術構成的。其包含的范圍很廣，涉及分析化學、無機化學和材料化學等。因此，學生要想掌握一定的實驗操作技能，熟知各種實驗設備的使用方法，必須通過相關實驗課程的學習，才能達到基本要求，才能為將來處理化學方面的相關問題打下堅實的基礎。為了激發(fā)學生對化學實驗操作的興趣，鍛煉學生的學科思維能力，在遵循基本教學規(guī)律的前提下，本實驗在科研實驗的基礎上實現(xiàn)了向教學實驗的轉變，如此也能更好地拓展他們的學科知識面，激發(fā)學生的學術潛力與科研水平。理論聯(lián)系實際很重要，將所學的書本知識應用到實際生活中才能真正發(fā)揮學以致用的效果。最終對學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)都有一定的幫助。

近年來，光催化技術以其高效、綠色和有發(fā)展前景的策略一直受到研究者們的關注。迄今為止，光催化技術在光催化領域的應用已經很廣泛，如光解水制氫、CO2還原及光催化殺菌等。就光催化技術而言，其核心是光催化劑。而傳統(tǒng)的光催化劑，如TiO2、ZnO的禁帶寬度比較寬且僅對紫外光響應，因此限制其實際應用。為了解決上述問題，需要開發(fā)新型的光催化劑，增強可見光的利用率進而提高其光催化能力。目前的研究表明，紅色氮化碳這種光催化劑對可見光的吸收范圍寬，能夠提高光源的利用率增強光催化去除無色污染物的能力，并且該材料的結構比較穩(wěn)定、價格低廉、綠色環(huán)保及制備方法簡單。目前已經成為一種新型的光催化劑用于去除水體中的污染物。

在本實驗中，使用價格相對便宜的尿素和草酸為原料，將兩者攪拌混合均勻后，通過簡單的煅燒法制備得紅色氮化碳光催化劑。在XRD（X射線粉末衍射）、FTIR（紅外）、UVVis DRS（紫外可見漫反射）等表征手段分析的基礎上，對已制備的光催化劑樣品進行了結構和光學性能分析。并且通過在可見光下去除無色污染物雙酚A對光催化性能進行了評價。本實驗的開展，不僅促進學生初步了解科研，還能夠學到多種分析方法，為學生步入科研道路打下堅實的基礎。

一、 實驗部分

（一） 試劑和儀器

尿素、草酸及雙酚A（BPA）；電子天平；程序升溫馬弗爐；X射線衍射儀；紅外光譜儀；高效液相色譜儀（Agilent）。

（二） 光催化劑的表征分析

在X射線衍射儀（德國Bruker公司D8型）上進行所制備樣品的晶體結構和純度分析。通過紫外可見漫反射光譜（UV2450型（日本島津））分析已制備催化劑的光學性能；催化劑的結構表征通過紅外光譜（Nicolet Nexus 470紅外光譜儀）進行分析，測試過程中用KBr壓片。

（三） 光催化劑的制備

分別稱取10 g尿素和0.4 g草酸放入研缽中，混合均勻后將其轉入到坩堝中，隨后置于馬弗爐中進行反應。馬弗爐升溫速率為10℃/min直至升溫到550℃，并且保持溫度550℃ 2 h。最后，馬弗爐降至室溫時取出樣品并收集所制備的紅色氮化碳催化劑。

（四） 目標污染物溶液的配制

（1） 準確稱量20 mg BPA試劑，將其置于500 mL的燒杯中；

（2） 向上述燒杯中加入200 mL去離子水，邊超聲邊用玻璃棒攪拌直至BPA溶解；

（3） 將（2）中得到的溶液用玻璃棒引流至2 L的容量瓶中；

（4） 將玻璃棒和燒杯洗滌數(shù)次，并將洗滌液移入容量瓶直至定容至2 L，振蕩搖勻；

（5） 擰緊容量瓶的瓶塞，再反復振蕩搖勻數(shù)次。將已配制好的溶液貼上標簽，記下溶液的名稱、濃度及配制時間。

（五） 光催化降解性能評價

在可見光照射下通過去除無色污染物BPA來考察紅色氮化碳材料的光催化降解性能。100 mL濃度為10 mg/L的雙酚A（BPA）溶液通過使用100 mg紅色氮化碳來進行降解。在光照之前，首先暗吸附30 min，實現(xiàn)吸附脫附平衡（催化劑與污染物）。接下來立即打開光源（300 W氙燈，420 nm濾光片），每隔0.5 h（共2小時），取4 mL降解液高速離心數(shù)分鐘后，用濾膜過濾得BPA降解液。BPA溶液的去除結果使用高效液相色譜儀來分析，其中紫外檢測波長為230 nm。根據朗伯比爾定律理論，可以對無色污染物（BPA）的去除率進行計算。其計算公式為：

去除率=（A/A0）×100%

其中A0、A分別為光催化降解前后無色污染物（BPA）在高效液相色譜上出峰的面積積分值。

二、 結果與討論

已制備的催化劑樣品為紅色的粉末，通過XRD、FTIR、UVvisDRS等測試手段分析了催化劑的純度、結構及光學性能。在氙燈光源模擬太陽光照射下考察紅色氮化碳催化去除BPA的能力。從實驗的結果很明顯的可以看到，BPA溶液在催化劑存在的條件下被逐漸分解。其結果顯示所獲得的紅色氮化碳材料在可見光照射下?lián)碛休^高的去除無色污染物的能力。

通過本實驗的教學，使學生更好地了解光催化的基本原理及知識，并學習了催化劑的制備方法（煅燒法）；通過對催化劑及BPA等樣品的稱量，學會了規(guī)范使用電子天平；在配制BPA溶液（10 mg/L）的過程中，掌握了容量瓶定容的操作要領；同時學習了馬弗爐升溫程序設定的操作步驟；學會了紅外測試的流程；能夠使用紫外可見漫反射光譜進行分析；熟練使用高速離心機；分析和處理實驗結果。

為了將實驗結果形象直觀地展現(xiàn)出來，學習新的作圖方法和材料的表征分析，如紅外光譜的分析，學生通過已學知識和查閱相關資料，可以分析樣品的紅外圖譜，解釋其紅外振動吸收峰所對應的官能團，從而進一步了解紅外這種表征手段；最重要的是，通過高效液相色譜來分析催化劑對BPA的降解能力，可以使學生更好地理解BPA的去除效果，并且學會使用色譜分析，同時鍛煉學生的動手操作能力。最后，將高效液相色譜的結果作圖，可以直觀地看到紅色氮化碳去除BPA的能力，使學生的作圖技能得到鍛煉。

光催化技術以高效、綠色等優(yōu)點已經在實際環(huán)境中廣泛用于處理水體中生物活性比較強（難降解）的污染物。而紅色氮化碳作為一種新型、綠色的寬可見光響應范圍的半導體光催化材料，目前已引起了很多研究者的關注。不僅在去除環(huán)境污染物方面擁有很大的潛力，而且在實現(xiàn)全解水方面有著很好的發(fā)展前景。構建這樣一個以科研實驗為基礎的綜合性實驗，是為了使學生熟悉最新的光催化科研成果，發(fā)掘其創(chuàng)新性，進一步提升學生的創(chuàng)新思維能力。同時學習光催化材料的測試手段、分析方法及去除環(huán)境污染物的能力。進一步引導學生積極思考，學以致用，勇于創(chuàng)新。

參考文獻：

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作者簡介：

徐遠國，馬云，江蘇省鎮(zhèn)江市，江蘇大學化學化工學院。