Трехкомпонентный фотокатализатор для разложения органических загрязнителей под действием видимого света и способ его получения Российский патент 2025 года по МПК B01J21/18 B01J27/24 B01J27/04 B01J23/06 B01J23/08 B01J37/34 B01J37/04 B01J37/10 C02F1/30 C02F101/30 

Группа изобретений относится к химической технологии получения фотокатализаторов, а именно трехкомпонентного фотокатализатора на основе нитрида углерода, сульфида цинка индия и углеродных точек, обладающего высокими адсорбционными и фотокаталитическими свойствами в отношении разложения органических соединений под действием видимого (солнечного) света. Фотокатализатор может быть использован при создании фотокаталитических установок для очистки сточных вод от токсичных примесей, антибиотиков, стойких органических соединений, включая нитропроизводные, в естественных условиях при солнечном освещении.

Фотокаталитические материалы полупроводниковой природы способны под действием УФ, видимого и солнечного света осуществлять реакции расщепления воды на водород и кислород, разрушения различных органических загрязнителей и восстановления углекислого газа до органических соединений. Для этих целей материалы на основе графитоподобного нитрида углерода (g-C₃N₄) имеют большие перспективы практического применения. Они относительно недороги, экологически безопасны, обладают высокой химической стабильностью и проявляют фотокаталитические свойства под действием солнечного света.

Собственная фотокаталитическая активность g-C₃N₄ материалов достаточно низкая, поэтому они чаще всего используются в составе гибридных материалов (гетероструктур) с другими соединениями. Одним из таких материалов, часто используемых для создания композитов, является сульфид цинка индия ZnlmS₄ g-C₃N₄ структуры способны поглощать свет только в УФ и синей области (ширина запрещенной зоны 2,6-2,8 эВ), тогда как ZnIn₂S₄ является среднезонным полупроводником и поглощают видимый свет в более широком диапазоне (ширина запрещенной зоны 2,2-2,4 эВ). Сочетание этих компонентов позволяет создавать структуры, которые показывают более высокие фотокаталитические свойства относительно индивидуальных полупроводников в реакциях получения водорода из воды, восстановления углекислого газа и разложения органических загрязнителей под действием видимого света.

С целью дополнительного повышения фотокаталитической активности создают тройные системы путем включения в состав данных гетероструктур сокатализаторов, выполняющих роль акцепторов электронов.

Например, известен композитный фотокатализатор, состоящий из ZnlmS₄ g-C₃N₄ и золота для разложения органических веществ [CN 108404960 В, B01J 27/24; B01J 37/03; B01J 37/10; C02F 1/30, опубл. 17.08.2018.]. Способ получения данного фотокатализатора заключается в использовании коллоидного золота, получаемого восстановлением из HAuCl₄ раствором цитрата натрия и смешивании его с обработанным ультразвуком нитридом углерода в этаноле, нитратами цинка и индия, L-цистеином и дальнейшей гидротермальной обработкой полученной смеси в среде глицерин и вода, с последующими стадиями осаждения из этанола и воды, и последующего вакуумного осушения замороженного продукта (лиофильная сушка).

В описанном способе предлагается создание фотокатализаторов с малым содержанием ZnIn₂S₄ фазы относительно g-C₃N₄. Следовательно, можно ожидать, что малое содержание ZnIn₂S₄ компонента не позволит эффективно утилизировать свет в длинноволновой области, характерной для этого компонента. Таким образом, для эффективной работы катализатора необходимо создавать специальные условия, что ограничивает сферу его применения. В патенте нет данных об светопоглощающих свойствах фотокатализатора.

В последние годы интенсивно разрабатываются безметаллические гибридные структуры с использованием углеродных материалов, таких как углеродные точки и нанотрубки, оксид графена и подобные. Принцип действия таких материалов аналогичен металлам -они выполняют роль акцепторов электронов и дырок, но в отличие от них - более доступны, устойчивы к окислению и их электронные свойства могут варьироваться в широких пределах.

Имеется несколько работ, посвященных созданию и исследованию тройных систем на основе нитрида углерода, сульфида цинка индия и углеродных наноматериалов.

Например, в заявке на патент [CN 111957334 А, B01J 27/24; B01J 37/10; B01J 37/34; С01В 3/04, опубл. 20.11.2020] рассматривается способ создания тройного композита из углероде о держащего наноматериала на основе восстановленного оксида графена (RGO), g-C₃N₄ и ZnIn₂S₄, допированный ионами серебра, для производства водорода из воды при облучении видимым светом. Однако, в заявке нет информации о фотокаталитических свойствах полученных материалов.

В работе [S. Manchala, V.S.R.K. Tandava, L.R. Nagappagari, S.M. Venkatakrishnan, D. Jampaiah, Y.M. Sabri, S.K. Bhargava, V. Shanker, Fabrication of a novel ZnIn₂S₄/g C₃N₄/graphene ternary nanocomposite with enhanced charge separation for efficient photocatalytic Ш evolution under solar light illumination, Photochem. Photobiol. Sci. 18 (2019) 2952-2964.] описан схожий метод получения тройных нанокомпозитов, состоящих из Znhi2S4, g-C₃N₄ и оксида графена для производства водорода из воды. Способ включает в себя гидротермальный синтез путем смешивания заранее полученного g-C₃N₄, оксида графена и соединений цинка, индия и серы.

Относительно простой способ получения тройного нанокомпозитного фотокатализатора из g-C₃N₄, ZnIn₂S₄ и наноуглерода для получения водорода из воды при действии видимого света, описан в работе [F. Shi, L. Chen, М. Chen, D. Jiang, A g C₃N₄/ nanocarbon /ZnIn₂S₄ nanocomposite: an artificial Z-scheme visible-light photocatalytic system using nanocarbon as the electron mediator, Chem. Comm. 51 (96) (2015) 17144-17147]. Способ заключается в гидротермальной обработке при 180°С в течение 9 часов во дно-глицериновой смеси g-C₃N₄, нитрата индия, ацетата цинка и L-цистеина, предварительно диспергированных ультразвуком, и дальнейшей очистке продукта реакции дистиллированной водой и этанолом с последующей осушкой при 60°С.

Еще одним примером тройных фотокатализаторов являются композиты на основе g-C₃N₄, ZnIn₂S₄ и однослойных углеродных нанотрубок, способные восстанавливать углекислый газ до CH₄ и СО [Wang, Н., Li, J., Wan, Y., Nazir, A., Song, X., Huo, P., & Wang, H. (2023). Fabrication of Zn vacancies-tunable ultrathin-g-C₃N₄@ ZnIn₂S₄/SWNTs composites for enhancing photocatalytic CO₂ reduction. Applied Surface Science, 613, 155989.].

Несмотря на то, что вышеописанные способы создания тройных фотокатализаторов приводят к образованию продуктов с составом, близким к составу фотокатализатора, полученному заявляемым способом, эти катализаторы предназначены для использования при производстве водорода из воды или восстановления углекислого газа. Их нельзя использовать для сравнения эффективности разложения органических загрязнителей. Это связано с существенно отличающимся механизмом фотокаталитического действия при производстве водорода из воды или восстановления углекислого газа.

Известен трехкомпонентный фотоэлектрокатализатор, состоящий из ZnIn₂S₄, нитрида углерода и восстановленного оксида графена (RGO), который исследован в реакциях разложения антибиотика триклозана в качестве органического загрязнителя [Yu, Т., Wu, W., Liu, L., Gao, С, & Yang, Т. (2020). Novel ternary p-ZnIn₂S₄/rGO/ng-C₃N₄ Z-scheme nanocatalyst with enhanced antibiotic degradation in a dark self-biased fuel cell. Ceramics International, 46(7), 9567-9574]. На основе полученного тройного катализатора изготавливается фотоанод путем его нанесения на поверхность подготовленного углеродного волокна. Полученный фотоэлектрокатализатор исследовался при пропускании тока через электроды с одновременном облучением светом и аэрацией смеси. Показано, что при облучении в течение 30 минут УФ светом разлагается 99%, видимым светом 83%, без облучения 78% триклозана из реакционной смеси. Удельная поверхность катализаторов не указана.

Так как механизм фотоэлектрокаталитического действия отличается от механизма фотокаталитической реакции, то результаты их каталитической эффективности могут быть использованы для сравнения с классическими фотокатализаторами лишь условно.

Из уровня техники известны трехкомпонентные фотокатализаторы для разложения органических загрязнителей, содержащие нитрид углерода, углеродные точки и один из полупроводниковых материалов состава: BiVO₄, WO₃, BiOBr, Zn₂V₂O₇.

Так, в работе [Yang, Q., Wei, S., Zhang, L., & Yang, R. (2020). Ultrasound-assisted synthesis of BiVO₄/C-dots/gC₃N₄ Z-scheme heterojunction photocatalysts for degradation of minocycline hydrochloride and Rhodamine B: Optimization and mechanism investigation. New Journal of Chemistry, 44(41), 17641-17653] описан способ получения фотокатализатора, состоящего из BiVO₄, углеродных точек и g-C₃N₄. Удельная поверхность полученных тройных катализаторов достигает до 20 м²/г. Его фотокаталитическая активность была исследована на примерах разложения антибиотика миноциклина гидрохлорида и красителя родамина С. Данный катализатор под действием видимого света в течение 30 минут приводит к разложению 85% родамина С из реакционной среды. Степень разложения миноциклина гидрохлорид за 140 минут составило 65,3%.

В работе [Jia, I, Jiang, С, Zhang, X., Li, P., Xiong, J., Zhang, Z., … & Wang, Y. (2019). Urea-modified carbon quantum dots as electron mediator decorated g-C₃N₄/WO₃ with enhanced visible-light photocatalytic activity and mechanism insight. Applied Surface Science, 495, 143524.] показан способ получения тройного фотокатализатора, состоящего из g-C₃N₄, WO₃ и углеродных точек. Показано, что удельная поверхность этих катализаторов достигает до 63 м²/г. Данный катализатор под действием видимого света в течение 30 минут способствует разложению 94% родамина С из реакционной среды. Степень разложения антибиотика тетрациклина за 60 минут составило 80%.

В качестве еще одного примера можно привести работу [Zhang, М., Lai, С, Li, В., Huang, D., Zeng, G., Xu, P., … & Chen, Z. (2019). Rational design 2D/2D BiOBr/CDs/g-C₃N₄ Z-scheme heterojunction photocatalyst with carbon dots as solid-state electron mediators for enhanced visible and NIR photocatalytic activity: kinetics, intermediates, and mechanism insight. Journal of Catalysis, 369, 469-481.], посвященную синтезу и исследованию тройных фотокатализаторов состава BiOBr, углеродные точки и g-C₃N₄. Показано, что данный фотокатализатор при облучении белым светом в течение 105 минут приводит к разложению 84% антибиотика ципрофлоксацина, а при облучении солнечным светом 81% вещества разлагается за 60 мин благодаря присутствии высокоэнергетических УФ лучей в солнечном спектре. Также показано разложение тетрациклина этим катализатором под действием белого света на 83% в течении 60 минут. Удельная поверхность данных катализаторов не приведена.

В качестве прототипа трехкомпонентного фотокатализатора выбран тройной фотокатализатор, состоящий из Zn₂V₂O₇, углеродных точек и g-C₃N₄ [Wu, P., Feng, L., Liu, I, Zhang, X., Tian, S., Hu, H., … & Yin, G. (2020). Enhanced photocatalytic activity of Jamun-like Zn₂V₂O₇/C-dots/gC₃N₄ nanocomposites for Rhodamine В degradation under the visible light radiation. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 31, 1879-1890]. Фотокаталитическая активность прототипа исследована в реакциях разложения родамина С при облучении видимым светом. Показано, что данный фотокатализатор в течение 15 минут приводит к разложению 56% красителя, а через 30 минут разлагается 97% красителя.

Недостатком прототипа является его невысокая фотокаталитическая эффективность при видимом свете, которая складывается из ряда факторов. Во-первых, используемый компонент Zn₂V₂O₇7 является широкозонным полупроводником (2,87 эВ), что не позволяет полученным гибридам эффективно утилизировать длинноволновый компонент видимого света для фотокаталитических реакций. Во-вторых, данный катализатор имеет низкую удельную поверхность (25 м²/г), что выражается в его малой адсорбционной емкости в отношении различных загрязняющих веществ и, следовательно, невысокой фотокаталитической эффективности особенно при значительных концентрациях загрязнителей.

В качестве прототипа способа получения трехкомпонентного фотокатализатора выбран способ получения трехкомпонентного фотоэлектрокатализатора, состоящего из ZnIn₂S₄, нитрида углерода и восстановленного оксида графена (RGO) [Yu, Т., Wu, W., Liu, L., Gao, С, & Yang, Т. (2020). Novel ternary p-ZnIn₂S₄/rGO/ng-C₃N₄ Z-scheme nanocatalyst with enhanced antibiotic degradation in a dark self-biased fuel cell. Ceramics International, 46(7), 9567-9574]. Для получения тройного катализатора водную смесь g-C₃N₄ и оксида графена обрабатывают ультразвуком до однородного состояния, далее вводят нитрат цинка, нитрат индия и тиоацетамид в качестве источника серы, и смесь автоклавируют при температуре 80°С в течение 12 часов. Продукт очищают и высушивают в вакууме.

Недостатком данного способа является использование большого количества восстановленного оксида графена (RGO) (массовое соотношение трех компонентов 1:1:1), что приводит к интенсивному поглощению света полученным катализатором в широком диапазоне, который будет расходоваться на тепловые колебания атомов, следовательно, квантовая эффективность фотокаталитической реакции будет низкой. Способ также включает стадию высушивания продукта, в результате чего снижаются адсорбционные характеристики катализатора за счет агрегирования частиц, что приводит к снижению фотокаталитической эффективности.

Техническая проблема заключается в увеличении эффективности трехкомпонентного фотокатализатора для разложения органических соединений под действием видимого света.

Техническая проблема решается трехкомпонентным фотокатализатором для разложения органических загрязнителей под действием видимого света, представляющего собой водную суспензию порошка, состоящего из связанных между собой фаз графитоподобного нитрида углерода g-C₃N₄ и сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ с включениями углеродных точек, при концентрации сульфида цинка индия в фотокатализаторе 60-92% масс. и массовом соотношении графитоподобного нитрида углерода g-C₃N₄ и углеродных точек (5-50):1 соответственно.

Техническая проблема решается также способом получения фотокатализатора, включающим получение водной дисперсии графитоподобного нитрида углерода g-C₃N₄ и углеродных точек, взятых в массовом соотношении от 5:1 до 50:1, путем ультразвукового перемешивания, добавление в полученную дисперсию источников цинка, индия и серы в количестве, обеспечивающем образование сульфида цинка индия в пределах 60-92% от общей массы фотокатализатора и перемешивание при комнатной температуре в течение 12 часов, гидротермальную обработку полученной смеси в автоклаве при 180°С в течении 12 часов, отделение осадка, промывание де ионизированной водой для удаления примесей, диспергирование полученного продукта в деионизированной воде для получения суспензии.

Техническим результатом является увеличение эффективности разложения органических загрязнителей под действием видимого света на 10-27% относительно прототипа. Фотокатализатор обладает фотокаталитической активностью в отношении различных органических загрязнителей при облучении видимым или солнечным светом.

Преимуществами способа получения фотокатализатора являются использование доступных компонентов, формирование тройных гетероструктур в одну стадию. Способ выделения продукта не требует сложных манипуляций и различных растворителей. Выделенный продукт хранится и используется в виде суспензии. Благодаря этому отсутствуют дополнительные этапы обработки: осушения и дальнейшее диспергирование для фотокаталитического применения. Таким образом, у продукта сохраняется полученная в ходе гидротермальной обработки высокая дисперсность и низкая степень агрегированности. Используемые подходы синтеза и выделения продуктов могут быть масштабированы до промышленных установок без существенного усложнения.

Получаемый предлагаемым способом катализатор состоит из плотно связанных между собой фаз графитоподобного нитрида углерода g-C₃N₄ и сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ с включенными наночастицами углеродных точек. Формирование ZnImS4 фазы в присутствии углеродных точек приводит к образованию нанометровых выступов, способствующих увеличению удельной поверхности фотокатализатора до 95 м²/г. Присутствующие в составе катализатора наноразмерные углеродные точки выполняют роль медиаторов электронов, тем самым повышают эффективность разделения носителей зарядов, что приводит к возрастанию фотокаталитической эффективности. Благодаря малой ширине запрещенной зоны ZnIn₂S₄ (2,25 эВ), а также наличию оптимальной концентрации углеродных точек полученный катализатор эффективно поглощает видимый свет в широком диапазоне до 750 нм.

Для получения предлагаемого фотокатализатора предварительно готовят два компонента, входящих в его состав.

Графитоподобный нитрид углерода g-C₃N₄ получают путем медленного нагрева меламина в воздушной атмосфере со скоростью 5°C в минуту до 550°С в течение 2 часов, далее выдерживают при данной температуре 1 час. Полученный продукт измельчают механическим способом до состояния мелкодисперсного порошка.

Углеродные точки в виде водной дисперсии получали известным способом (Zhao, Y., Yu, L., Deng, Y., Peng, K., Yu, Y., & Zeng, X. (2023). A multi-color carbon quantum dots based on the coordinated effect of quantum size and surface defects with green synthesis. Ceramics International, 49(11), 16647-16651). Для этого в 17 мл дистиллированной воды растворяют 108 мг о-фенилендиамина и 192 мг лимонной кислоты. Полученный раствор помещают в автоклав и выдерживают при 180°С в течение 10 часов. После охлаждения раствор центрифугируют при 8000 об/мин в течение 30 минут и пропускают через 0,22 мкм мембранный фильтр. Полученные углеродные точки имеют узкое размерное распределение в пределах 2-5 нм и характеризуются интенсивным пиком люминесценции при 450 нм.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

В качестве источника цинка использовали цинка ацетат дигидрат, в качестве источника индия -индия ацетат (III), в качестве источника серы -тиоацетамид.

Пример 1

В стакан добавляют 25 мг g-C₃N₄ и 2,5 мг углеродных точек (массовое соотношение g-C₃N₄: углеродные точки 10:1) и диспергируют в 16 мл деионизированной воды с помощью ультразвука в течение 20 минут. Далее к полученной дисперсии добавляют 44,1 мг цинка ацетат дигидрат, 116,7 мг индия ацетат (III) и 75,1 мг тиоацетамида и перемешивают при 25°С в течении 12 ч. Полученную смесь загружают в автоклав и выдерживают при 180°С в течение 12 часов. Для удаления побочных продуктов реакции, смесь, охлажденную до комнатной температуры, центрифугируют при 5000 об/мин в течение 30 минут, очистку проводят три раза, каждый раз заменяя верхний раствор на деионизированную воду. К полученному влажному осадку добавляют деионизированную воду и перемешивают для образования суспензии, в дальнейшем полученный продукт хранят и используют в виде водной суспензии без этапа высушивания. В полученном катализаторе содержание сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ составляет 87% масс.

Пример 2

Все технологические условия способа совпадают с условиями, приведенными в примере 1, за исключением того, что для синтеза используют 1 мг углеродных точек (массовое соотношение g-C₃N₄: углеродные точки 25:1). В полученном катализаторе содержание сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ составляет 92% масс.

Пример 3

Все технологические условия способа совпадают с условиями, приведенными в примере 1, за исключением того, что для синтеза используют 5 мг углеродных точек (массовое соотношение g-C₃N₄: углеродные точки 5:1). В полученном катализаторе содержание сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ составляет 84% масс.

Пример 4

Все технологические условия способа совпадают с условиями, приведенными в примере 1, за исключением того, что для синтеза используют 50 мг g-C₃N₄, 1 мг углеродных точек (массовое соотношение g-C₃N₄: углеродные точки 50:1), 25,9 мг цинка ацетат дигидрат, 68,7 мг индия ацетат (III) и 44,2 мг тиоацетамида. В полученном катализаторе содержание сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ составляет 63% масс.

Пример 5

Все технологические условия способа совпадают с условиями, приведенными в примере 1, за исключением того, что для синтеза используют 50 мг g-C₃N₄, 2,5 мг (массовое соотношение g-C₃N₄: углеродные точки g-C3Nu: углеродные точки 20:1) углеродных точек, 25,9 мг цинка ацетат дигидрат, 68,7 мг индия ацетат (III) и 44,2 мг тиоацетамида. В полученном катализаторе содержание сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ составляет 60% масс.

Пример 6

Все технологические условия способа совпадают с условиями, приведенными в примере 1, за исключением того, что для синтеза используется 50 мг g-C₃N₄, 5 мг углеродных точек (массовое соотношение g-C₃N₄: углеродные точки 10:1), 25,9 мг цинка ацетат дигидрат, 68,7 мг индия ацетат (III) и 44,2 мг тиоацетамида. В полученном катализаторе содержание сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ составляет 59% масс.

Пример 7

Все технологические условия способа совпадают с условиями, приведенными в примере 1, за исключением того, что для синтеза используют 75 мг g-C₃N₄, 2,5 мг углеродных точек (массовое соотношение g-C₃N₄: углеродные точки 30:1), 13 мг цинка ацетат дигидрат, 34,3 мг индия ацетат (III) и 22,1 мг тиоацетамида. В полученном катализаторе содержание сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ составляет 44% масс.

Пример 8

Все технологические условия способа совпадают с условиями, приведенными в примере 1, за исключением того, что для синтеза используют 75 мг g-C₃N₄, 5 мг углеродных точек (массовое соотношение g-C₃N₄: углеродные точки 15:1), 13 мг цинка ацетат дигидрат, 34,3 мг индия ацетат (III) и 22,1 мг тиоацетамида. В полученном катализаторе содержание сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ составляет 38% масс.

На фиг. 1 представлено изображение образца фотокатализатора (пример 1), полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss EVO LS 10 при увеличении 10000 раз, на котором видны нанометровые выступы. Формирование подобных выступов приводит к возрастанию удельной поверхности и адсорбционных свойств катализатора и, следовательно, к повышению фотокаталитических свойств заявляемого гетерогенного катализатора.

На фиг. 2 показано изображение образца фотокатализатора (пример 1), полученное с помощью просвечивающего микроскопа Hitachi НТ7700 при увеличении 40000 раз, на котором видно, что фаза ZnIn₂S4 (темные участки) включает в себя углеродные точки (черные точки) и находится в тесном контакте с g-C₃N₄ фазой (светлые «чешуйки»). Таким образом, подтверждается что полученные продукты действительно являются трехкомпонентными гибридными структурами.

Исследование адсорбционной емкости полученных фотокатализаторов проводили метиленовым синим, для этого 10 мг фотокатализатора диспергировали в 100 мл раствора метиленового синего и интенсивно перемешивали в течение 1 часа для установления адсорбционного равновесия. После этого раствор оставляли на 24 часа в темноте для осаждения катализатора и затем фильтровали через мембранный фильтр 0,22 мкм. Концентрацию раствора красителя после достижения равновесия определяли через его оптическую плотность на максимуме поглощения 665 нм.

Фотокаталитическую активность полученных фотокатализаторов и графитоподобного нитрида углерода g-C₃N₄ (контроль) оценивали методом фото деградации красителя Родамина С в роли модельного загрязнителя. Для этого в реакторе смешали 11 мл деионизированной воды с 3 мл раствора Родамина С (0,001 моль/л) и добавили 1 мл водной дисперсии, содержащий 5 мг фотокатализатора, далее реакционную смесь выдержали в темноте для установления адсорбционного равновесия в течение 30 минут (Т=25°С). Затем реакционную смесь облучали светодиодным модулем с длиной волны излучения 450 нм при постоянном перемешивании (Т=25°С). Оценку степени разложения красителя проводили с помощью спектрофотометра Perkin Elmer Lambda 35 по изменению оптической плотность раствора при максимуме поглощения Родамина С 554 нм через определенные промежутки времени. Отобранные образцы центрифугировали при 3000 об/мин в течение 15 мин для осаждения суспензии фотокатализатора.

Адсорбционная емкость образцов и степень фотокаталитического распада красителя в присутствии образцов приведена на таблице 1.

Как видно из данных, представленных в таблице, высокими значениями адсорбционной емкости и высокой степенью разложения родамина С характеризуются образцы, содержащие ZnIn₂S₄ фазу в катализаторе в пределах 60-92% масс, при массовом соотношении g-C₃N₄: углеродные точки в пределах от 5:1 до 50:1 (примеры 1-6). Снижение содержания ZnIn₂S₄ в катализаторе приводит к уменьшению адсорбционной емкости и фотокаталитической активности катализатора (примеры 7-8). При уменьшении концентрации углеродных точек ниже указанного диапазона эффект повышения фотокаталитической активности отсутствует. Увеличение концентрации углеродных точек выше указанного диапазона приводит существенному снижению фотокаталитической активности.

Для корректного сопоставления результатов фотокаталитических исследований, необходимо иметь ввиду, у разных исследователей отличаются способы исследования фотокаталитической активности тройных катализаторов. Это связано отличием в конструкциях реактора, интенсивности и длины волны облучаемого света, концентрации, типа загрязнителя и фотокатализатора. Поэтому правильнее сравнивать между собой не степень разложения органического загрязнителя в присутствии трехкомпонентного катализатора, а повышение им степени разложения органического загрязнителя относительно g-C₃N₄, исследованного в этих же условиях в среднем интервале облучения (15 мин). Как видно из таблицы 1 повышение степени разложения органического загрязнителя в присутствии прототипа относительно g-C₃N₄ составляет 44%, в то время как повышение степени разложения органического загрязнителя в присутствии предлагаемого катализатора относительно g-C₃N₄ составляет в среднем 63%.

В таблице 2 приведены значения степени разложения модельного загрязнителя при облучении видимым светом в течение 15 минут в присутствии известных тройных фотокатализаторов на основе нитрида углерода и углеродных точек, а также относительно g-C₃N₄, исследованного в этих же условиях, в сравнении с предлагаемым фотокатализатором.

Как видно из таблицы 2 степень разложения загрязнителя с помощью известных аналогов находится в пределах 21-62%, повышение относительно g-C₃N₄ составляет 7-44%. Фотокаталитические свойства заявляемого фотокатализатора превышают оба этих параметра.

Таким образом, предлагаемый фотокатализатор характеризуется более высокой фотокаталитической активностью в отношении разложения органических загрязнителей под действием видимого света по сравнению с прототипом и известными аналогами.

Изобретение относится к химической технологии получения катализаторов, а именно трехкомпонентного фотокатализатора на основе нитрида углерода, сульфида цинка индия и углеродных точек. Трехкомпонентный фотокатализатор для разложения органических загрязнителей под действием видимого света представляет собой водную суспензию порошка, состоящего из связанных между собой фаз графитоподобного нитрида углерода g-C₃N₄ и сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ с включениями углеродных точек, при концентрации сульфида цинка индия в фотокатализаторе 60-92% масс. и массовом соотношении графитоподобного нитрида углерода g-C₃N₄ и углеродных точек (5-50):1 соответственно. Способ получения предлагаемого катализатора включает следующие этапы: сначала получают водную дисперсию графитоподобного нитрида углерода g-C₃N₄ и углеродных точек, взятых в массовом соотношении от 5:1 до 50:1, путем ультразвукового перемешивания, затем в полученную дисперсию добавляют источники цинка, индия и серы в количестве, обеспечивающем образование сульфида цинка индия в пределах 60-92% от общей массы фотокатализатора, и перемешивают при комнатной температуре в течение 12 часов, полученную смесь подвергают гидротермальной обработке в автоклаве при температуре 180°С в течение 12 часов, осадок отделяют, промывают деионизированной водой для удаления примесей и диспергируют в деионизированной воде для получения суспензии. Заявленный фотокатализатор обладает высокой фотокаталитической активностью в отношении различных органических загрязнителей при облучении видимым (солнечным) светом. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 8 пр.

1. Трехкомпонентный фотокатализатор для разложения органических загрязнителей под действием видимого света, представляющий собой водную суспензию порошка, состоящего из связанных между собой фаз графитоподобного нитрида углерода g-C₃N₄ и сульфида цинка индия ZnIn₂S₄ с включениями углеродных точек, при концентрации сульфида цинка индия в фотокатализаторе 60-92% масс. и массовом соотношении графитоподобного нитрида углерода g-C₃N₄ и углеродных точек (5-50):1 соответственно.

2. Способ получения трехкомпонентного фотокатализатора по п. 1, характеризующийся тем, что включает этапы, на которых

получают водную дисперсию графитоподобного нитрида углерода g-C₃N₄ и углеродных точек, взятых в массовом соотношении от 5:1 до 50:1, путем ультразвукового перемешивания,

добавляют в полученную дисперсию источники цинка, индия и серы в количестве, обеспечивающем образование сульфида цинка индия в пределах 60-92% от общей массы фотокатализатора, и перемешивают при комнатной температуре в течение 12 часов,

полученную смесь подвергают гидротермальной обработке в автоклаве при температуре 180°С в течение 12 часов,

осадок отделяют, промывают деионизированной водой для удаления примесей и диспергируют в деионизированной воде для получения суспензии.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве источников цинка и индия используют водорастворимые соли цинка и индия (III), например ацетаты.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве источника серы используют тиоацетамид.