木材仿生制备木材/钼酸铋/氮化碳光催化材料的方法

1.本发明属基于木材仿生的光催化材料制造方法类，特别涉及一种利用木材仿生制备木材/ 钼酸铋/氮化碳光催化材料的制造方法。


背景技术：

2.随着社会工业化发展，水污染问题愈发严重，水中污染物严重破坏水资源的生态平衡，导致饮用水资源短缺，水污染问题的防治刻不容缓。水污染主要成分为重金属离子、大分子有机污染物等，光催化技术是目前处理上述污染物行之有效的办法。
3.在众多催化剂中，氮化碳(g-c3n4)作为一种有机光催化半导体材料，具有可见光响应的特性，并且制作方法简单、稳定性好、能有效降解水中的大分子有机污染物，在水污染防治上具有非常广阔的前景。但由于氮化碳的禁带宽度较窄，因此光生电子极易复合，所以氮化碳存在光生电子-空穴对复合率高、可见光利用率较低且比表面积较小的缺点，严重制约其催化效率。
4.研究表明，将两种具有相匹配能带结构的半导体耦合，由于它们的电势不同，光生电子和空穴可以在ps i和ps ii之间转移，相比与单一催化剂，有效地提高了光生载流子的分离效率，同时保持了其优异的氧化还原能力。拥有奥里维里斯层状结构的钼酸铋(bi2moo6)有着高效的可见光响应能力,基于复合无机非金属光催化剂氮化碳和钼酸铋是两种导带和价带位置互相匹配的半导体材料，将两种催化剂进行耦合，进而减少光生电子和空穴的复合可能性，扩大其对可见光谱的吸收范围，提高可见光的利用率，以达到提高光催化剂半导体材料的光催化性能的目的。然而催化剂比表面积及表面活性仍然是影响催化效率的主要因素。
5.木材是一种具有多尺度分级孔道结构的天然高分子材料，其独特的孔道结构可提高污染物在其内部的高通过率、高扩散率，因此将催化剂附着于木材孔道内壁上可呈几何倍数增加催化剂比表面积以提高污染物的降解速率。同时，木材内部含有丰富的羟基自由基，在高压条件下可与复合催化剂表面对弧电子发生反应生成更多的活性位点，极大提高催化剂的催化活性，因此以木材为载体构建木材/钼酸铋/氮化碳光催化材料在水污染防治上具有非常广阔的应用前景。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种利用木材仿生制备木材/钼酸铋/氮化碳光催化材料的方法。
7.针对常规钼酸铋/氮化碳复合材料存在的比表面积及表面活性问题，提出催化性能更为优异的基于木材仿生制备木材/氮化碳/钼酸铋光催化材料的方法，其特征在于：以可再生的林木资源的木材为载体，通过真空浸渍处理方式使得氮化碳/钼酸铋复合材料进入木材载体内部的孔道结构之中，赋予制备出的氮化碳钼酸铋复合材料多级孔道结构，提高氮化碳钼酸铋的比表面积增大其表面活性，以致提高氮化碳钼酸铋复合材料的催化性能。
8.利用木材仿生制备木材/钼酸铋/氮化碳光催化材料的方法，其包括以下步骤：
9.(1)将长宽为4cm、高为3mm的木片置于一定质量浓度的氢氧化钠溶液中，在70～90 ℃的水浴温度下通过对木材碱处理将其孔道内含物及灰分析出，并扩大木材孔道的孔容，得到预处理后的木片。
10.(2)称取一定量的三聚氰胺，置于石英舟中(加盖)，然后放入管式炉中以10℃/min 的速率升温至460～540℃焙烧，并在此恒温2h后自然冷却，冷却后研磨成粉末，得到粉末状氮化碳。称取一定质量的氮化碳，置于瓷舟中，在管式炉中进行450～510℃热处理，升温速率为5℃/min，恒温2h，降至室温取出，研磨，获得氮化碳超薄纳米片样品。
11.(3)称取一定量的五水硝酸铋粉末在不断搅拌下加入到40ml乙二醇中，直至其形成均匀透明的溶液。保持不断地磁力搅拌，再将一定质量的二水钼酸钠粉末加入上述溶液中，在室温下保持搅拌2h，然后将20ml无水乙醇加入其中，继续搅拌20～50min。搅拌完毕后将上述溶液倒入100ml的水热反应釜中，在140～180℃条件下保持反应5h，待其后冷却至室温后用无水乙醇洗涤，然后在70～90℃条件下干燥12h，得到钼酸铋。
12.(4)向步骤(2)制得的氮化碳超薄纳米片中滴加过量的浓盐酸(质量分数为37％)处理1h，而后经离心分离，得到质子化处理的氮化碳。将处理后的氮化碳超声分散到一定量的乙醇溶液中，然后称取一定量的步骤(3)所制得的钼酸铋，加入到上述乙醇溶液中，超声 30min并搅拌2h，得到钼酸铋/氮化碳悬浊液。
13.(5)将步骤(1)预处理后的木片浸入经步骤(4)处理后的悬浊液中，利用真空干燥箱将氮化碳/钼酸铋充分浸渍至预处理的木片内部孔道中并通过超声处理将钼酸铋/氮化碳均匀分散在孔道内壁上，然后浸渍后的木片置于水热反应釜中在120℃条件下水热3h，使钼酸铋/氮化碳锚定于木材孔道内壁上。水热后取出木片常温干燥8～14h，得到木材/钼酸铋/氮化碳光催化材料。
14.作为优化，本研究所使用木材为针叶材。
15.作为优化，处理木片的氢氧化钠溶液质量浓度为0.5～3％。
16.作为优化，钼酸铋/氮化碳悬浊液中氮化碳、钼酸铋质量分数比值为2.5：1。
17.作为优化，放入木片后的钼酸铋/氮化碳溶液超声振荡处理1～3h，浸渍处理3～6h。
18.采用本发明的制造方法制造木材/钼酸铋/氮化碳光催化材料，一方面，可以对木材加工剩余物进行利用，提高了木材的利用率；另一方面，利用该方法制备的木材/钼酸铋/氮化碳光催化材料由于其比表面积增大、表面活性增强，对比常规制备的钼酸铋/氮化碳复合材料，有效的提高有机污染物的降解效率。
19.具体实施方式一：
20.本实施方式中利用木材仿生制备木材/钼酸铋/氮化碳光催化材料的制造方法如下：
21.(1)将长宽为4cm、高为3mm的木片置于浓度为0.5％的氢氧化钠溶液中，在70℃的水浴温度下通过对木材碱处理将其孔道内含物及灰分析出，并扩大木材孔道的孔容，得到预处理后的木片。
22.(2)称取一定量的三聚氰胺，置于石英舟中(加盖)，然后放入管式炉中以10℃/min 的速率升温至520℃焙烧，并在此恒温2h后自然冷却，冷却后研磨成粉末，得到粉末状氮化
碳。称取一定质量的氮化碳，置于瓷舟中，在管式炉中进行500℃热处理，升温速率为5℃ /min，恒温2h，降至室温取出，研磨，获得氮化碳超薄纳米片样品。
23.(3)称取一定量的五水硝酸铋粉末在不断搅拌下加入到40ml乙二醇中，直至其形成均匀透明的溶液。保持不断地磁力搅拌，再将一定质量的二水钼酸钠粉末加入上述溶液中，在室温下保持搅拌2h，然后将20ml无水乙醇加入其中，继续搅拌30min。搅拌完毕后将上述溶液倒入100ml的水热反应釜中，在160℃条件下保持反应5h，待其后冷却至室温后用无水乙醇洗涤，然后在80℃条件下干燥12h，得到钼酸铋。
24.(4)向步骤(2)制得的氮化碳超薄纳米片中滴加过量的浓盐酸(质量分数为37％)处理1h，而后经离心分离，得到质子化处理的氮化碳。将处理后的氮化碳超声分散到一定量的乙醇溶液中，然后称取一定量的步骤(3)所制得的钼酸铋，加入到上述乙醇溶液中，超声 30min并搅拌2h，得到氮化碳/钼酸铋悬浊液。
25.(5)将步骤(1)预处理后的木片浸入经步骤(4)处理后的悬浊液中，利用真空干燥箱将氮化碳/钼酸铋充分浸渍至预处理的木片内部孔道中并通过超声处理将氮化碳/钼酸铋均匀分散在孔道内壁上，然后浸渍后的木片置于水热反应釜中在120℃条件下水热3h，使氮化碳/钼酸铋锚定于木材孔道内壁上。水热后取出木片常温干燥12h，得到木材/钼酸铋/氮化碳光催化材料。
26.具体实施方式二：
27.本实施方式中利用木材制备木材/钼酸铋/氮化碳复合材料的制造方法如下：
28.(1)将长宽为4cm、高为3mm的木片置于浓度为3％的氢氧化钠溶液中，在80℃的水浴温度下通过对木材碱处理将其孔道内含物及灰分析出，并扩大木材孔道的孔容，得到预处理后的木片。
29.(2)称取一定量的三聚氰胺，置于石英舟中(加盖)，然后放入管式炉中以10℃/min 的速率升温至520℃焙烧，并在此恒温2h后自然冷却，冷却后研磨成粉末，得到粉末状氮化碳。称取一定质量的氮化碳，置于瓷舟中，在管式炉中进行500℃热处理，升温速率为5℃ /min，恒温2h，降至室温取出，研磨，获得氮化碳超薄纳米片样品。
30.(3)称取一定量的五水硝酸铋粉末在不断搅拌下加入到40ml乙二醇中，直至其形成均匀透明的溶液。保持不断地磁力搅拌，再将一定质量的二水钼酸钠粉末加入上述溶液中，在室温下保持搅拌2h，然后将20ml无水乙醇加入其中，继续搅拌40min。搅拌完毕后将上述溶液倒入100ml的水热反应釜中，在160℃条件下保持反应5h，待其后冷却至室温后用无水乙醇洗涤，然后在80℃条件下干燥10h，得到钼酸铋。
31.(4)向步骤(2)制得的氮化碳超薄纳米片中滴加过量的浓盐酸(质量分数为37％)处理1h，而后经离心分离，得到质子化处理的氮化碳。将处理后的氮化碳超声分散到一定量的乙醇溶液中，然后称取一定量的步骤(3)所制得的钼酸铋，加入到上述乙醇溶液中，超声 30min并搅拌2h，得到氮化碳/钼酸铋悬浊液。
32.(5)将步骤(1)预处理后的木片浸入经步骤(4)处理后的悬浊液中，利用真空干燥箱将氮化碳/钼酸铋充分浸渍至预处理的木片内部孔道中并通过超声处理将氮化碳/钼酸铋均匀分散在孔道内壁上，然后浸渍后的木片置于水热反应釜中在100℃条件下水热3h，使氮化碳/钼酸铋锚定于木材孔道内壁上。水热后取出木片常温干燥12h，得到木材/钼酸铋/氮化碳光催化材料。
33.上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明权利要求书所述的利用木材仿生制备木材/钼酸铋/氮化碳复合材料的制造方法都落入本发明的专利保护范围。