異質結光催化薄膜的制備方法及其應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光催化薄膜領域，涉及一種g-C3N4/Ti02異質結光催化薄膜的制備方法 及其應用。
【背景技術】
[0002] 能源短缺和環境污染是21世紀人類社會所面臨的重大挑戰，光催化技術的應用為 能源利用和環境保護帶來了新的契機。薄膜材料往往具有塊狀材料所不具備的優異性能， 更適于推廣應用，因此光催化薄膜不僅在研究領域，而且在工業生產中及生活應用中越來 越引起廣泛關注。TiO 2作為半導體光催化領域中研究最廣、最具實用意義的材料之一，具有 廉價無毒、光催化效率高、性能穩定等優點。然而，目前TiO 2光催化薄膜只對在太陽光譜中 比例不到5%的紫外光有吸收，太陽能利用率非常低，另外，TiO2的光生載流子復合率很高， 極大的限制TiO 2的大規模應用。
[0003] 非金屬半導體g_C3N4是近些年來備受關注的材料，其獨特的三嗪環狀結構和高度 縮聚賦予了它非常高的穩定性，抗酸、抗堿、抗光腐蝕。g_C 3N4的禁帶寬度2.7eV，對可見光具 有一定的吸收，另外還具有與石墨烯同樣的高比表面積、電子傳輸速度極快，結構和性能易 于調控等優點。然而，g_C 3N4主要通過熱聚合法制備得到其粉體，難以成膜。當前，制備薄膜 g-C3N4的方法主要是激光濺射、氣相沉積和電化學方法，這些方法操作復雜、對儀器設備要 求高，耗能量大，難以實現大規模工業化生產和發展，限制推廣應用。
[0004] 中國專利CN103464131A通過簡單的溶膠法、合理的激光改性和退火工藝成功在陶 瓷基片上制備了具有可見光波段優異光催化性能的氧化鈦薄膜。專利CN102864481A采用磁 控濺射、陽極氧化鈦膜以及熱處理在玻璃上制備二氧化鈦光催化薄膜，具有高透光性和高 光催化反應速率常數等優點，可滿足自清潔玻璃、空氣和廢水凈化等光催化領域需求。但這 些專利所制備的光催化薄膜均存在制備工藝復雜，需要激光和高溫處理等問題。因此，開發 制備工藝簡單、經濟節能、易于推廣的低溫高效光催化薄膜對于光催化材料在改善環境方 面的應用具有極其重要的意義。
【發明內容】
[0005] 為克服現有技術中的問題，本發明的目的在于，提供一種g-C3N4/Ti02異質結光催 化薄膜的制備方法及其應用，根據異質結原理，在TiO 2基礎上加入能帶匹配的g_C3N4,有效 的提高了光催化材料的光能利用率;將粉體的g_C 3N4以TiO2溶膠為載體，制備在可見光下高 效降解NOx的g-C 3N4/Ti02異質結光催化薄膜，拓展了 g-C3N4粉體的應用空間；將新型高效光 催化異質結薄膜推廣應用于空氣中NO x等污染物的降解。
[0006] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0007] -種g-C3N4/Ti02異質結光催化薄膜的制備方法，包括以下步驟：
[0008] (1)制備 g-C3N4/Ti02 復合溶膠：
[0009] 水解鈦酸四丁酯制得TiO2溶膠，將TiO2溶膠與通過g_C 3N4乙醇懸浮液按照體積比 I: (1-20)混合均勻，得g-C3N4/Ti02復合溶膠；
[0010] (2)制備g-C3N4/Ti02異質結光催化薄膜：
[0011 ]將g-C3N4/Ti02復合溶膠噴涂在基底上，干燥后得到g-C3N4/Ti0 2異質結光催化薄 膜，其中，所述干燥通過自然風干或者在烘箱烘干。
[0012] TiO2溶膠通過以下方法制得：向鹽酸溶液中加入鈦酸四丁酯，室溫下水解、陳化2 ~3周，得到TiO 2溶膠;其中，鹽酸溶液與鈦酸四丁酯的體積比為10:1。
[0013] 鹽酸溶液的濃度為0.12m〇l/L。
[0014] 所述g_C3N4乙醇懸浮液通過以下方法制得:將g_C3N4加入到乙醇中，在400W功率下 超聲4~IOh，得到g-C3N4乙醇懸浮液;其中，g_C3N4與乙醇的比為(O.OOlg~1.0)g: IOOmL。 [0015]所述步驟⑵中將g-C3N4/Ti0 2復合溶膠噴涂在基底上，得g-C3N4/Ti02異質結光催 化薄膜的具體過程為:將g_C 3N4/Ti02復合溶膠于高壓噴槍噴壺中，6KPa壓力下在基底上均 勻噴涂2~4次，干燥后得g-C 3N4/Ti02異質結光催化薄膜。
[0016] 所述烘干的溫度不高于100°C。
[0017] 所述基底為玻璃、陶瓷或不銹鋼板。
[0018] -種g-C3N4/Ti〇2異質結光催化薄膜的用途，g-C3N4/Ti〇2異質結光催化薄膜在降解 空氣中NOx污染物的應用。
[0019] 與現有技術相比，本發明具有的有益效果：
[0020] 1.本發明通過將g-C3N4乙醇懸浮液與TiO2溶膠混合后進行噴涂，得到g-C 3N4/Ti〇2 異質結光催化薄膜。TiO2溶膠作為載體將可見光利用率高的g-C3N 4粉體制成薄膜，克服了將 g-C3N4用于環境污染物處理時不易回收的問題。本發明中將g-C3N 4/Ti02復合溶膠噴涂在基 底上后，干燥采用自然風干即可，克服了現有技術中需要激光或者高溫處理的復雜過程，并 且該制備方法簡便，開創性的將g_C 3N4做成薄膜，該光催化異質結薄膜耦合了光催化異質結 材料制備和低溫鍍膜技術(即干燥溫度較低），操作簡單、設備要求低，實現了將光催化材料 大面積在基底上鍍膜的應用；
[0021 ] 2.本發明以TiO2溶膠為載體和膠黏劑，制備的g-C3N4/Ti0 2異質結光催化薄膜，提 高了光催化材料的光能利用率，拓展了 g_C3N4粉體的應用空間，提高了 TiO2光催化劑對太陽 光的利用率，可見光下光催化降解污染物效率明顯增強，能夠用于空氣中NOx等污染物的降 解，對NO的降解可達到30%以上，并且穩定性好、可重復利用。
[0022]進一步的，基底為普通玻璃、陶瓷、不銹鋼板等，可以擴展鍍膜的應用。
【附圖說明】
[0023]圖1為FTO玻璃基底、TiO2薄膜、g-C3N4/Ti02異質結光催化薄膜的SEM圖；其中，（a) 為FTO玻璃基底，（b)為TiO2薄膜、（c)為g-C3N4/Ti02異質結光催化薄膜。
[0024]圖2為TiO2粉體、g-C3N4粉體、g_C3N4/Ti0 2異質結光催化粉體的紫外可見-漫反射 圖；其中，（a)為TiO2粉體、（b)為g-C3N4粉體、（c)為g-C3N4/Ti0 2異質結光催化粉體。
[0025]圖3為在可見光下TiO2薄膜、g-C3N4薄膜、g_C3N4/Ti0 2異質結光催化薄膜對NO降解 效率圖。其中，（a)為TiO2薄膜，（b)為g-C3N4薄膜，（c)為g-C3N4/Ti0 2異質結光催化薄膜。
【具體實施方式】
[0026]下面結合【具體實施方式】和附圖對本發明進行詳細說明，但本發明的保護范圍并不 僅限于下列實施例。
[0027] 實施例1
[0028] -種高效g-C3N4/Ti〇2異質結光催化薄膜的制備，包括以下步驟：
[0029] (1)采用膠溶法，將12mL鈦酸四丁酯加入120mL 0.12mol/L鹽酸溶液中，室溫下水 解、陳化2周，得到TiO2溶膠；
[0030] 采用超聲粉碎法制備g-C3N4乙醇懸浮液:將g-C3N4分散于乙醇中，在400W功率下連 續超聲4h，得到g-C 3N4乙醇懸浮液;其中，g_C3N4與乙醇的比為0.001g: IOOmL。
[0031] 將TiO2溶膠和g-C3N4懸浮液按照體積比1:1混合均勻，得到g-C 3N4/Ti〇2復合溶膠；
[0032] (2)將g-C3N4/Ti02復合溶膠采用壓力噴涂法，在6KPa壓力下于10*10cm 2玻璃基底 上噴涂2~4次，自然風干，得到g-C3N4/Ti02異質結光催化薄膜。
[0033] 實施例2
[0034]與實施例1的不同在于TiO2溶膠和g_C3N4懸浮液體積比1: 5。
[0035] 實施例3
[0036]與實施例1的不同在于TiO2溶膠和g_C3N4懸浮液體積比1:10。
[0037] 實施例4
[0038]與實施例1的不同在于TiO2溶膠和g-C3N4懸浮液體積比1:20。
[0039] 實施例5
[0040]向質量濃度為0.12mol/L的鹽酸溶液中加入鈦酸四丁酯，室