高續(xù)春，梁 穎，徐 慧

(1.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000；2.榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000)

催化劑成為現(xiàn)在科學研究的熱點之一，許多的光催化劑相應問世，并且被應用在實際生產(chǎn)，幫助人們解決能源短缺與生態(tài)污染問題，為人類創(chuàng)造了巨大的價值，對于人類的發(fā)展意義重大[1-6]。但是光催化實際應用技術(shù)的開發(fā)面臨諸多難題，如光催化劑的穩(wěn)定性就是問題之一。事實上，光催化劑的穩(wěn)定性一直是限制光催化劑在實際應用中的關鍵因素之一，在酸性，堿性，高溫，甚至光照等條件下活性的變化趨勢以及在這樣的環(huán)境下腐蝕程度，是現(xiàn)在對于催化劑實際應用必須解決的難題[7-10]。石墨相氮化碳(g- C3N4)具有較好的化學惰性、生物兼容性以及穩(wěn)定性[11,12]，還是一種有機半導體材料，在光催化領域有著很不錯的實際應用前景[13,14]。本文著重研究g-C3N4的耐酸堿腐蝕性，為其后續(xù)的工業(yè)應用提供良好的基礎。

1 實驗部分

1.1 試驗材料與儀器

濃硫酸，分析純，天津大茂化學試劑廠；氯化鐵，分析純，天津大茂化學試劑廠；聚乙二醇，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；氨水，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；鹽酸，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；硝酸，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；三乙聚胺，分析純，阿拉丁試劑有限公司；所用水為去離子水。

可編程一體化箱式電爐(SXF-2.5-10)，電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9070C)，杭州藍天化驗儀器廠；光化學反應儀(BL-GHX)，西安比朗生物科技有限公司；循環(huán)水式多用真空泵(SHB-B95)，鄭州長城科工貿(mào)公司；磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司(MYP11-2)；分析天平(BSA)，賽多利斯科學儀器；超聲清洗儀(GT SONIC-L)，廣東固特超聲股份有限公司；傅里葉變換紅外光譜(Nicolet 6700)，美國Thermo有限公司； 紫外可見光光分度計(UV-2450)，日本島津有限公司； 透射顯微鏡(JEM-2800)，日本電子有限公司；射線粉末衍射儀(PW1800)，荷蘭Philips有限公司。

1.2 g-C3N4復合光催化劑的制備

取50g雙氰胺分為5份放入半封閉坩堝中，然后將坩堝放入電爐中，由室溫加熱以2℃/min的速度加熱至550℃后保溫4h，待溫度降至室溫，將坩堝取出，再用研缽研磨，得到淡黃色粉末即g- C3N4，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 Fe/g-C3N4復合光催化劑的制備

取3份4g氮化碳，依次用蒸餾水，無水乙醇，丙酮，蒸餾水的順序清洗。然后分別加入1% 0.04g、4% 0.16g、8% 0.32g的氯化鐵，混合攪拌后，放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，將溫度調(diào)到65℃，烘烤，直至得到淡黃色和少量紅褐色的固體。研磨后，置于坩堝并放入電爐中，由室溫加熱以2℃/min的速度加熱至550℃后保溫4h，待溫度降至室溫，用瑪瑙研缽研磨，得到淡紅褐色粉末，貼上標簽保存。

1.4 Fe/g-C3N4的耐酸腐蝕實驗

稱量6份Fe/g-C3N4樣品，接著配制濃度為10mol/L和15mol/L硫酸各3份(配制過程中注意安全)，并貼上標簽，見表1。然后將6份樣品分別置于1～6號硫酸中，攪拌均勻，放置不同的時間，具體見表2。將腐蝕結(jié)束的樣品經(jīng)過循環(huán)水式多用真空泵依次用蒸餾水，無水乙醇，丙酮，蒸餾水清洗，并放入電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干。

表1 樣品不同程度酸化

表2 酸化樣品放置時間

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的結(jié)構(gòu)表征

本實驗對g-C3N4和8% Fe/g-C3N4進行了X射線衍射測試，在空氣氣氛下進行，電流I為30 mA，電壓U為30 KV。 采用大角X射線衍射對所得樣品進行連續(xù)掃描，得到樣品XRD光譜圖。圖1(a)和(b)分別為X射線檢測原理和g-C3N4跟Fe/g-C3N4兩個樣品的X射線衍射光譜圖。

(a)X射線檢測原理公式示意圖 (b)g-C3N4和Fe/g-C3N4X射線衍射譜圖

圖1 X射線檢測原理和X射線衍射光譜圖

通過對XRD光譜圖的分析，可以獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息。如圖1b所示，g-C3N4和8% Fe/g-C3N4的XRD光譜圖在 和 出現(xiàn)兩個明顯的衍射峰，分別對應與石墨相氮化碳的002和100兩個晶面，在8% Fe/g-C3N4的XRD光譜圖中并沒有發(fā)現(xiàn)新的衍射峰，說明Fe/g-C3N4復合催化劑純度很高。

2.2 催化劑的耐酸腐蝕研究

將實驗中制備的Fe/g-C3N4放入不同濃度的濃硫酸中，經(jīng)過不同的時間腐蝕后，將樣品清洗、干燥后進行紅外光譜(FT-IR)檢測。圖2是不同摻雜量的Fe/g-C3N4在腐蝕前的FT-IR圖譜，而圖3是8% Fe/g-C3N4樣品分別在濃度10mol/L 、15mol/L的 H2SO4溶液中腐蝕8h、12h和 16h后得到的FI-IR譜圖。為了研究催化劑耐腐蝕性能，查看Fe/g-C3N4的FT-IR圖譜在腐蝕前后的變化，就可分析Fe/g-C3N4在腐蝕前后結(jié)構(gòu)的變化。

圖2 部分樣品腐蝕前的紅外光譜圖

(a 10% Fe/g-C3N4; b 8% Fe/g-C3N4; c 1.5% Fe/g-C3N4; d g-C3N4)

圖3 8% Fe/g-C3N4樣品經(jīng)不同濃度硫酸腐蝕不同時間后的紅外檢測圖譜

(a 15mol/L, 16h; b 10mol/L,16h; c 15mol/L, 12h; d 10mol/L, 12h; e 15mol/L, 8h; f 10mol/L)

由圖2可知，F(xiàn)e/g-C3N4的吸收峰在800， 1230-1540和3000-3400區(qū)域， Fe/g-C3N4的振動峰與g-C3N4的振動峰基本相似，這與文獻的報道基本一致[12]。另外，對于不同摻雜量的Fe/g-C3N4，其FI-IR譜圖有著微小的不同，這也說明，不同的樣品，其FI-IR譜不同(見圖2)；

從圖3可以看出，F(xiàn)e/g-C3N4在不同濃度的硫酸中腐蝕后，硫酸濃度越高，F(xiàn)e/g-C3N4的在2390 cm-1吸收峰有些許差異，這是由于在不同濃度硫酸環(huán)境中，F(xiàn)e/g-C3N4受到H+的攻擊，其層狀結(jié)構(gòu)中的“氮孔”受到不同程度的極化，“氮孔”發(fā)生細微地變形而引起；但在其他重點的吸收峰部位，F(xiàn)I-IR譜圖基本一致，基本沒有變化，說明Fe/g-C3N4在腐蝕前后，其結(jié)構(gòu)沒有明顯變化。

將圖3中經(jīng)過不同腐蝕時間的曲線與圖2中曲線b相比較，可以發(fā)現(xiàn)，盡管在硫酸中的腐蝕時間長短不一，但其FI-IR譜圖中吸收峰基本相同，變化細微，基本可以認為，F(xiàn)e/g-C3N4隨著腐蝕時間的延長，其結(jié)構(gòu)變化不大，即就是，F(xiàn)e/g-C3N4催化劑的結(jié)構(gòu)沒有被破壞，催化劑是可以經(jīng)受濃硫酸的腐蝕。

3 結(jié)論

本文以g-C3N4良好的物理化學性能以及在催化劑領域有較好的前景為基本出發(fā)點，通過實驗制得g-C3N4和摻雜鐵的復合催化劑Fe/g-C3N4，研究了催化劑的耐腐蝕性能，結(jié)果表明，F(xiàn)e/g-C3N4復合催化劑在酸堿中具有良好的耐腐蝕性能。