一种光催化纳米复合材料及其制备方法与流程
本发明涉及光催化材料及其制备方法领域，尤其涉及一种光催化纳米复合材料及其制备方法。
背景技术：
光催化剂是指在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称，主要应用于环境净化、自清洁材料、先进新能源、癌症医疗、高效率抗菌等多个前沿领域，目前发现可作为光催化剂的材料众多，主要包括二氧化钛（tio2）、氧化锌（zno）、氧化锡（sno2）、二氧化锆（zro2）和硫化镉（cds）等多种氧化物硫化物半导体，其中以tio2光催化剂的研究与应用最为广泛。然而，由于锐钛相tio2的禁带宽度为3.2ev,，金红石相tio2的禁带宽度也达到3.0ev，禁带宽度较大，导致其光催化性能只有在紫外光激发下才能得以实现，而紫外光只占太阳光的5%，这严重地制约了tio2光催化的实际应用。而α-fe2o3为n型半导体，其禁带宽度较窄（2.2ev），对紫外光和可见光均表现出较好的光电化学响应，根据国内外大量成果：光电转化和光催化在某些方面具有共性，即作为光电转化和光催化的材料，首先要在能量大于其eg的辐射激发下产生光生电荷，分离后的电荷在回路中形成电流便实现光电转化，在催化剂表面乃至扩散层引起氧化还原反应便可实现光催化。因此，以α-fe2o3纳米颗粒为主体的光催化复合材料具有可观的科研价值和应用潜力。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种光催化纳米复合材料及其制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种光催化纳米复合材料，以fe(no3)3·9h2o、有机基质、溶剂、分散剂和催化剂为原料，所述溶剂、分散剂、有机基质、催化剂、fe(no3)3·9h2o的摩尔比为25.50—31.50:3.80—5.60:2.50—3.00:0.50—2.00:1.00。
进一步，所述分散剂、催化剂和fe(no3)3·9h2o的优选摩尔比为4.05—4.75:0.50—1.00:1.00。
进一步，所述有机基质为糠胺、糠醛、糠醇、糠酸中的任意一种。
进一步，所述溶剂为乙二醇、甘油中的任意一种。
进一步，所述分散剂为乙醇、乙醚、丙酮、乙二醇中的任意一种。
进一步，所述催化剂为浓硫酸、浓硝酸中的任意一种。
一种光催化纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）原料称量：按照配比准确称量所述fe(no3)3·9h2o、有机基质、溶剂、分散剂和催化剂等原料，置于干燥洁净的容器中备用；
（2）聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备：所述聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备可选取直接聚合法和溶胶-聚合两步法中的任意一种。
（3）热转化：依照热转化条件对所述聚合物复合α-fe2o3前驱体进行相应的热转化后即得所述光催化纳米复合材料。
进一步，所述直接聚合法的具体步骤为：在剧烈搅拌下将所述fe(no3)3·9h2o加入所述溶剂、分散剂中充分溶解后，再将所述有机基质加入上述体系，持续搅拌至分散均匀后，逐滴加入所述催化剂使所述有机基质单体分子均匀聚合，生成黑色粘状固体，将其在室温下自然干燥、研磨，即得所述聚合物复合α-fe2o3前驱体。
进一步，所述溶胶-聚合两步法具体包括以下步骤：
进一步，所述热转化条件选取以下三种中的任意一种：
（1）将所述聚合物复合α-fe2o3前驱体于空气气氛中240—390℃下进行热处理30min；
（2）将所述聚合物复合α-fe2o3前驱体于空气气氛中、300℃下热处理10—50min；
（3）将α-fe2o3含量分别为27.01%、38.51%、53.78%、73.68%、82.89%、100%的所述聚合物复合α-fe2o3前驱体于300℃下热处理30min。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
（1）本发明通过糠醛、糠胺、糠醇、糠酸等有机基质单体分子在α-fe2o3纳米粒子表面的原位聚合得到聚合物复合α-fe2o3前驱体，再通过适当的热转化处理得到光催化纳米复合材料，原料廉价易得，制备方法简单，设备要求低，具有潜在的市场推广价值。
（2）本发明以亚甲基蓝的光催化脱色、降解评价了其催化活性，结果表明：本发明得到的纳米复合材料与纯α-fe2o3相比，其光催化性能具有很大改善，连续使用纳米复合材料100min就可使亚甲基蓝溶液的脱色率达到100%，而纯的α-fe2o3纳米粒子在同等条件下的脱色降解率还不到10%，尤其当α-fe2o3含量为53.78%时，不仅具有较高的光催化活性，而且具有很好的稳定性，多次重复次对亚甲基蓝的降解实验，其脱色率依然可达到79%以上。
（3）本发明制备的纳米复合材料价格低廉，不会造成二次污染，在对有机污染物的处理方面具有可观的应用前景。
附图说明
图1为不同热处理温度下得到的本发明纳米复合材料对亚甲基蓝溶液的脱色率随反应时间的变化图。
图2为不同热处理时间得到的本发明纳米复合材料对亚甲基蓝溶液的脱色率随反应时间的变化图。
图3为含有不同α-fe2o3的本发明纳米复合材料对亚甲基蓝溶液的脱色率随反应时间的变化图。
图4为本发明纳米复合材料对亚甲基蓝溶液降解前、后的紫外-可见吸收光谱图。
具体实施方式
下面将通过实施例对本发明及其效果作进一步说明。
实施例1：一种光催化纳米复合材料的制备
（1）原料称量：按照溶剂、分散剂、有机基质、催化剂、fe(no3)3·9h2o的摩尔比为25.50:3.80:2.50:0.50:1.00准确称量fe(no3)3·9h2o15.15g，量取有机基质8.5ml、溶剂54ml、分散剂8ml和催化剂1.0ml，置于干燥洁净的容器中备用；其中，有机基质为糠胺、糠醛、糠醇、糠酸中的任意一种，溶剂为乙二醇、甘油中的任意一种，分散剂为乙醇、乙醚、丙酮、乙二醇中的任意一种，催化剂为浓硫酸、浓硝酸中的任意一种；
（2）聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备：聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备可选取直接聚合法和溶胶-聚合两步法中的任意一种；其中，直接聚合法的具体步骤为：在剧烈搅拌下将fe(no3)3·9h2o加入溶剂、分散剂中充分溶解后，再将有机基质加入上述体系，持续搅拌至分散均匀后，逐滴加入催化剂使有机基质单体分子均匀聚合，生成黑色粘状固体，将其在室温下自然干燥、研磨，即得聚合物复合α-fe2o3前驱体；溶胶-聚合两步法具体包括以下步骤：
（3）热转化：将聚合物复合α-fe2o3前驱体于空气气氛中240、270、300、330、360、390℃下进行热处理30min即得光催化纳米复合材料。
实施例2：一种光催化纳米复合材料的制备
（1）原料称量：按照溶剂、分散剂、有机基质、催化剂、fe(no3)3·9h2o的摩尔比为27.00:4.05:2.625:0.75:1.00准确称量fe(no3)3·9h2o15.15g，量取有机基质9ml、溶剂57ml、分散剂9ml和催化剂1.5ml，置于干燥洁净的容器中备用；其中，有机基质为糠胺、糠醛、糠醇、糠酸中的任意一种，溶剂为乙二醇、甘油中的任意一种，分散剂为乙醇、乙醚、丙酮、乙二醇中的任意一种，催化剂为浓硫酸、浓硝酸中的任意一种；
（2）聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备：聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备可选取直接聚合法和溶胶-聚合两步法中的任意一种；其中，直接聚合法的具体步骤为：在剧烈搅拌下将fe(no3)3·9h2o加入溶剂、分散剂中充分溶解后，再将有机基质加入上述体系，持续搅拌至分散均匀后，逐滴加入催化剂使有机基质单体分子均匀聚合，生成黑色粘状固体，将其在室温下自然干燥、研磨，即得聚合物复合α-fe2o3前驱体；溶胶-聚合两步法具体包括以下步骤：
（3）热转化：将聚合物复合α-fe2o3前驱体于空气气氛中300℃下进行热处理30min即得光催化纳米复合材料。
实施例3：一种光催化纳米复合材料的制备
（1）原料称量：按照溶剂、分散剂、有机基质、催化剂、fe(no3)3·9h2o的摩尔比为28.50:4.40:2.75:1.00:1.00准确称量fe(no3)3·9h2o15.15g，量取有机基质9.5ml、溶剂60ml、分散剂10ml和催化剂2ml，置于干燥洁净的容器中备用；其中，有机基质为糠胺、糠醛、糠醇、糠酸中的任意一种，溶剂为乙二醇、甘油中的任意一种，分散剂为乙醇、乙醚、丙酮、乙二醇中的任意一种，催化剂为浓硫酸、浓硝酸中的任意一种；
（2）聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备：聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备可选取直接聚合法和溶胶-聚合两步法中的任意一种；其中，直接聚合法的具体步骤为：在剧烈搅拌下将fe(no3)3·9h2o加入溶剂、分散剂中充分溶解后，再将有机基质加入上述体系，持续搅拌至分散均匀后，逐滴加入催化剂使有机基质单体分子均匀聚合，生成黑色粘状固体，将其在室温下自然干燥、研磨，即得聚合物复合α-fe2o3前驱体；溶胶-聚合两步法具体包括以下步骤：
（3）热转化：将聚合物复合α-fe2o3前驱体于空气气氛中、300℃下热处理10、20、30、40、50min即得光催化纳米复合材料。
实施例4：一种光催化纳米复合材料的制备
（1）原料称量：按照溶剂、分散剂、有机基质、催化剂、fe(no3)3·9h2o的摩尔比为30.00:4.75:2.875:1.50:1.00准确称量fe(no3)3·9h2o15.15g，量取有机基质10ml、溶剂63ml、分散剂11ml和催化剂3ml，置于干燥洁净的容器中备用；其中，有机基质为糠胺、糠醛、糠醇、糠酸中的任意一种，溶剂为乙二醇、甘油中的任意一种，分散剂为乙醇、乙醚、丙酮、乙二醇中的任意一种，催化剂为浓硫酸、浓硝酸中的任意一种；
（2）聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备：聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备可选取直接聚合法和溶胶-聚合两步法中的任意一种；其中，直接聚合法的具体步骤为：在剧烈搅拌下将fe(no3)3·9h2o加入溶剂、分散剂中充分溶解后，再将有机基质加入上述体系，持续搅拌至分散均匀后，逐滴加入催化剂使有机基质单体分子均匀聚合，生成黑色粘状固体，将其在室温下自然干燥、研磨，即得聚合物复合α-fe2o3前驱体；溶胶-聚合两步法具体包括以下步骤：
（3）热转化：将α-fe2o3含量分别为27.01%、38.51%、53.78%、73.68%、82.89%、100%的聚合物复合α-fe2o3前驱体于300℃下热处理30min即得光催化纳米复合材料。
实施例5：一种光催化纳米复合材料的制备
（1）原料称量：按照溶剂、分散剂、有机基质、催化剂、fe(no3)3·9h2o的摩尔比为31.50:5.60:3.00:2.00:1.00准确称量fe(no3)3·9h2o15.15g，量取有机基质10.5ml、溶剂66ml、分散剂12ml和催化剂4ml，置于干燥洁净的容器中备用；其中，有机基质为糠胺、糠醛、糠醇、糠酸中的任意一种，溶剂为乙二醇、甘油中的任意一种，分散剂为乙醇、乙醚、丙酮、乙二醇中的任意一种，催化剂为浓硫酸、浓硝酸中的任意一种；
（2）聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备：聚合物复合α-fe2o3前驱体的制备可选取直接聚合法和溶胶-聚合两步法中的任意一种；其中，直接聚合法的具体步骤为：在剧烈搅拌下将fe(no3)3·9h2o加入溶剂、分散剂中充分溶解后，再将有机基质加入上述体系，持续搅拌至分散均匀后，逐滴加入催化剂使有机基质单体分子均匀聚合，生成黑色粘状固体，将其在室温下自然干燥、研磨，即得聚合物复合α-fe2o3前驱体；溶胶-聚合两步法具体包括以下步骤：
（3）热转化：将聚合物复合α-fe2o3前驱体于空气气氛中300℃下进行热处理30min即得光催化纳米复合材料。
以质量浓度为10mg·l-1的亚甲基蓝溶液的脱色率来表征实施例1、2、3、4、5的光催化性能。具体实验方法为分别取40mg样品加入40ml亚甲基蓝溶液中，持续搅拌并计时，每隔20min取样4.0ml，离心分离后吸取上清液采用722s型分光光度计测定662nm（亚甲基蓝的最大吸收波长）处的吸光度at，依据公式（1）计算脱色率dt：
式中，ao和at分别为染料溶液的初始和反应时间为t时的吸光度值。
统计数据得到实施例2样品对亚甲基蓝溶液的脱色率随反应时间的变化示意图（图1，图中a—f分别表示热处理温度为240、270、300、330、360、390℃），实施例3样品对亚甲基蓝溶液的脱色率随反应时间的变化示意图（图2，图中a—e分别表示热处理时间为10、20、30、40、50min），实施例5样品对亚甲基蓝溶液的脱色率随反应时间的变化示意图（图3，图中a—f分别表示聚合物复合α-fe2o3前驱体中α-fe2o3含量以此为27.01、38.51、53.78、73.68、78.89、100%），同时检测得到了实施例4样品对亚甲基蓝溶液降解前后的紫外-可见吸收光谱（图4，图中a为降解前的吸收光谱，b为降解后的吸收光谱）。通过比较图1、2、3，通过实施例得到的纳米复合材料样品对于亚甲基蓝溶液都具有显著的光催化性能，而且其光催化性能均呈现出先增强后减弱的趋势，其最高性能所对应的样品制备条件分别为热处理温度300℃、热处理时间30min以及α-fe2o3含量为53.78%；对比图4中降解前后的吸收光谱发现：亚甲基蓝溶液的紫外-可见光区的吸收峰均已消失，也没有新的吸收峰出现，且反应后的谱线与去离子水的谱线保持一致，这说明本发明纳米复合材料对于亚甲基蓝溶液具有显著的光催化性能，而且其对紫外-可见光均具有可观的光催化性能。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！