生物炭载富缺陷石墨相氮化碳材料的制备及其降解罗丹明B性能研究

申报人：廖传烨申报日期：2025-01-04

基本情况

所属批次:

2025年批次

项目名称:

生物炭载富缺陷石墨相氮化碳材料的制备及其降解罗丹明B性能研究学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

材料类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

二年期

项目简介:

采用石墨相氮化碳光降解技术处理印染废水中有机染料分子备受关注。然而传统的石墨相氮化碳材料存在光生载流子不足、光生载流子迁移慢等问题。本项目拟采用热聚法和气相沉积法制备富缺陷（P、O原子掺杂、富氮空位）的石墨相氮化碳，然后将其与生物炭机械化学处理制备生物炭载富缺陷石墨相氮化碳复合材料；在解析缺陷结构和负载模型的基础上，评价其对罗丹明B染料的降解性能。本项目有望为提升治理罗丹明B染料废水的效率提供技术参考。

负责人曾经参与科研的情况:

在导师的研究生学生指导下做过相关的实验。

指导教师承担科研课题情况:

1.广西自然科学基金青年基金项目，2019GXNSFBA245052，基于晶层缺陷结构调控的蒙脱石固化金属离子性能与机理研究，2020.01-2022.12，主持，已结题。

2. 广西壮族自治区防城港市技术研究与开发计划项目，防科AB21014002，用于处理染料废水的蒙脱石载掺杂型生物炭产品研发，2021.10-2024.10，主持，已结题。

3. 广西中青年教师基础能力提升项目， 3D-LDHs负载姜黄素纳米复合物的制备及缓释性能研究，2019.04-2021.06，主持，已结题

指导教师对本项目的支持情况:

为本项目开展提供部分实验材料和测试费，提供开展实验的平台，提供开展研究工作的技术指导。

项目级别:

校级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	廖传烨	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程（实验班）	2023	安排统筹实验，进行实验，分析实验数据	第一主持人
2	潘世亿	材料科学与工程学院	材料科学与工程	2023	制备样品，进行实验，分析实验数据	成员
3	赖琼艳	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程（实验班）	2023	制备样品，进行实验，分析实验数据	成员
4	王小坡	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程（实验班）	2023	制备样品，进行实验，分析实验数据	成员
5	黎婷	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程（实验班）	2023	制备样品，进行实验，分析实验数据	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	李存军	材料科学与工程学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

以高效光催化降解罗丹明B染料分子为目标，针对传统石墨相氮化碳材料光生载流子不足、以及光生载流子迁移慢的问题，研究制备具有高效光降解罗丹明B染料分子的光催化材料。本项目的研究目的为：（1）研究制备生物炭载富缺陷石墨相氮化碳复合材料；（2）评价复合材料对罗丹明B染料的降解性能。

研究内容:

（1）富缺陷石墨相氮化碳材料的制备及结构研究

通过热聚合法和气相沉积法，制备富缺陷石墨相氮化碳材料，研究材料的P和O原子掺杂、以及富氮空位缺陷结构特征。

（2）生物炭载富缺陷石墨相氮化碳材料的制备及负载模型研究

通过机械化学处理将其与生物炭复合制备生物炭载富缺陷石墨相氮化碳复合材料，研究复合材料的形貌结构、元素化学态、能带结构和负载模型。

（3）生物炭载富缺陷石墨相氮化碳材料降解罗丹明B性能研究

评价生物炭载富缺陷石墨相氮化碳材料在可见光照条件下对罗丹明B的光催化降解能力，探究复合材料促进罗丹明B降解的活性组分。

国、内外研究现状和发展动态:

随着世界工业的快速发展，工业废水逐步增加，给地球水资源造成了越来越严重的污染。在废水污染物中，有机污染物因其难降解、毒性大而受到广泛关注。在处理难降解的有机污染物时，新型高效的光催化技术因为其可以更大程度地提高废水中有机污染物的降解效率，节省废水处理时间，并最大限度地提高经济效益而具有明显优势。在常见的光催化材料中，石墨相氮化碳因其无金属特性、热稳定好、耐酸碱、能够吸收可见光范围波长的光能量，能够适应复杂的废水环境等优点，被认为是一种极具工业应用前景的光催化材料。然而，体相普遍存在比表面积小、自然光利用效率低和电荷迁移慢等缺点，限制了石墨相氮化碳的光催化效率。因而研究者们提出了多种不同的改性方法，其中元素掺杂法作为重要的结构和性能调控法而备受关注。

元素掺杂法可以分为金属元素掺杂法和非金属元素掺杂法两种。其中，非金属元素掺杂法由于其合成过程简单、可用性丰富、环境友好等优点被认为是最可行的方案。非金属元素由于其高电负性和高电离电位，通常可以通过从其他化合物获得电子，化学取代C或N原子形成共价键，从而实现对g-石墨相氮化碳的非金属掺杂。常用的非金属掺杂元素有C、N、O、P和S。其中P元素作为一种多价态的原子，外层拥有多个价电子态，可以掺入石墨相氮化碳骨架中与相邻的C和N原子形成共价键。另外，其多余的孤对电子还可以作为活性位点，增强石墨相氮化碳的导电性和电荷转移能力，从而改变其电子特性，进而降低了光生电子-空穴对的复合速率，改善了其应用性能。

生物炭作为新型的光催化剂，具有丰富的含氧官能团、丰富的孔隙结构、较强的离子交换能力和较大的比表面积等优点。然而，较低温度下（＜500 ℃）的条件下获得的原始生物炭材料，其比表面积通常比较有限，这在一定程度上限制了生物炭的催化活性。目前的研究中发现，生物炭可以作为一个良好的载体，支撑半导体纳米颗粒，由于其表面官能团丰富和导电性好，可以当作电子传输的通道，极大地改善了载流子的分离效率。

因此，本项目拟采用热聚合法和气相沉积法制备富缺陷（P、O原子掺杂、富氮空位）的石墨相氮化碳，再通过机械化学处理将其与生物炭复合制备生物炭载富缺陷石墨相氮化碳材料；在解析其缺陷结构和负载模型的基础上，评价其对罗丹明B染料的降解性能。

创新点与项目特色:

究通过生物炭载富缺陷石墨相氮化碳材料，通过在石墨相氮化碳氮中引入空位，P/O原子掺杂，充分激发其活性；以生物炭作为载体，促进激发态电子从本体传输到表面与吸附氧反应生产活性物质，从而促进染料分子矿化是本工作的思路创新。

此外，本项目以废弃生物质资源（甘蔗渣）为原料，结合针对石墨相氮化碳氮材料的空位设计和原子掺杂技术，具有固废资源化、绿色环保、科技附加值高的特色。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

（1）技术路线

本项目的技术路线图1所示：

（2）拟解决的问题

本项目拟解决传统石墨相氮化碳材料光生载流子不足、以及光生载流子不能被快速转移至材料表面的问题。本项目通过在石墨相氮化碳材料中引入N空位、掺杂P和O原子以提升光生载流子生产能力，通过引入生物炭提升光生载流子的快速转移能力。

（3）预期成果

1）研究制得生物炭载富缺陷石墨相氮化碳复合材料，探明复合材料促进罗丹明B染料分子降解性能的活性组分。

2）拟申请国家发明专利1件，完成项目研究总结报告1份，培养本科生5人。

项目研究进度安排:

2025年1月-2025年6月：富缺陷石墨相氮化碳材料的制备及结构研究，完成富缺陷石墨相氮化碳材料制备，研究材料的P和O原子掺杂、以及富氮空位缺陷结构特征。

2025年6月-2025年9月：生物炭载富缺陷石墨相氮化碳材料的制备及负载模型研究。

完成制备生物炭载富缺陷石墨相氮化碳复合材料，研究复合材料的形貌结构、元素化学态、能带结构和负载模型。

2025年9月-2025年12月：生物炭载富缺陷石墨相氮化碳材料降解罗丹明B性能研究。

完成评价生物炭载富缺陷石墨相氮化碳材料在可见光照条件下对罗丹明B的光催化降解能力，探究复合材料促进罗丹明B降解的活性组分。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

指导老师团队前期开展了富N空位和O原子掺杂得的成绩的石墨相氮化碳材料的制备研究工作，评价了其对罗丹明B染料分子的降解性能，并发表了学术论文（One-pot synthesis of porous graphitic carbon nitride with rich nitrogen vacancies and oxygen heteroatoms for boosting photocatalytic performance）。该工作为本项目研究制备富缺陷（P、O原子掺杂、富氮空位）的石墨相氮化碳打下了坚实的基础。

另外，指导老师团队前期开展了P掺杂型生物炭负载石墨相氮化碳材料的制备研究工作，并评价了其对靛蓝染料的光降解能力，发表了学术论文（P-N bonds in P-modified biochar/g-C3N4 composite constructed via mechanochemical method to enhance photodegradation of indigo carmine）。该工作为本项目研究制备生物炭载富缺陷石墨相氮化碳复合材料，以及评价复合材料降解罗丹明B的性能提供了参考方案。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

该项目依托桂林理工大学“广西有色金属及特色材料加工”省部共建国家重点实验室培育基地、“有色金属及材料加工新技术”教育部重点实验室等平台完成。平台拥有研究生物炭载富缺陷石墨相氮化碳复合材料组成和结构的系列实验设备。

实验室平台主要配置有包括X'Pert PRO X射线衍射分析仪、X'Pert Power高温X-射线衍射仪（含原位变温台）、S-4800场发射扫描电子显微镜、JEM-2100F透射电子显微镜、蔡司Xradia 510 Versa高分辨三维X射线成像系统（三维X射线扫描仪）、6700型FTIR傅里叶变换红外光谱仪、比表面积与孔结构分析仪等相关分析测试设备。这些设备和条件可保障本项目的实验和分析工作顺利完成。无缺少的条件。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	5000.00	无	2000.00	3000.00
1. 业务费	3260.00	无	1000.00	2260.00
（1）计算、分析、测试费	2000.00	用于材料的结构和性能表征	1000.00	1000.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	0.00	无	0.00	0.00
（4）文献检索费	0.00	无	0.00	0.00
（5）论文出版费	1260.00	申请发明专利1项	0.00	1260.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	1740.00	用于购买尿素、磷酸钠等化学药品，以及坩埚、球磨介质等耗材	1000.00	740.00

结束