三维氮掺杂碳海绵支撑磁性Fe3O4复合材料、制备方法

本发明涉及海水淡化材料，具体涉及一种三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着环境污染加剧和人口飞速增长，淡水资源短缺已经成为人类面临的一大难题。有许多地区不仅保证不了人类饮用水、生活用水的质量问题,更有甚者连世界人均用水最低标准都无法达到。而且就全球水资源分布而言,不同地区所占有的水资源非常不平均,极少数的国家拥有大量的淡水资源,而一些地区却严重缺水。

2、地球上的水资源有97％都是海水,为了增加人类可用淡水的总量,海水淡化成为一种可行的方法。目前采用的海水淡化技术主要为正反渗透、多级闪蒸、多效蒸馏、电渗析等,这些淡化技术在数十年来得到深度发展，并在淡化的清洁水供应上得到广泛应用。但是,上述的海水淡化技术仍存在能耗高、效率低等局限性,难以满足绿色高效的应用需求。因此，发展绿色可持续的太阳能驱动海水淡化技术受到人们广泛关注。

3、目前用于太阳能驱动海水淡化的复合水凝胶材料,通常需在制备过程中将光热材料分散于水凝胶单体溶液中,再经循环冻融或热引发自由基聚合等方式成型,制备工艺流程较为繁琐且耗时耗能。除此之外,由于现今使用的光吸收剂(碳基、石墨烯、半导体/金属/高分子纳米颗粒等)与凝胶基质之间的界面相互作用较弱，在面对严苛的环境(潮汐、风浪、高盐)时，会导致水凝胶的光热性能稳定性下降。此外，在利用太阳能驱动海水淡化过程中更会导致水体中局部污染浓度上升。水环境的污染也加剧水资源的紧缺。降解水中污染也必然是缓解水资源紧缺的有效手段。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料及其制备方法，具有高效的光热转换性能。高效利用太阳能淡化海水的同时利用催化降解水中有机污染。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料，以碳海绵作为多孔基体，磁性fe3o4负载在所述碳海绵的骨架结构表面，所述碳海绵为氮掺杂的三维桥连结构。

4、第二方面，本发明提供了上述三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料的制备方法，包括如下步骤：将海绵在磁性fe3o4纳米颗粒水溶液中浸泡一定时间，烘干后煅烧使海绵碳化得到所述三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料，所述海绵为含有氮源的商用海绵。

5、进一步，所述海绵为聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵。

6、进一步，所述海绵先用水和乙醇清洗，然后烘干使用。

7、进一步，所述磁性fe3o4纳米颗粒的浓度为0.016～0.034m。

8、进一步，海绵浸泡的时间为0.5～2h。

9、进一步，煅烧的温度为400～800℃，时间为0.5～2h。

10、进一步，磁性fe3o4纳米颗粒通过水热法制备得到。

11、进一步，所述水热法的具体步骤为：将六水合氯化铁加入到含尿素和柠檬酸钠的水溶液中，搅拌均匀，加入聚丙烯酰胺搅拌均匀后转移至高压反应釜中，160～200℃反应12～24h，反应产物洗涤、离心得到所述磁性fe3o4纳米颗粒。

12、进一步，六水合氯化铁的浓度为0.05～0.1m，六水合氯化铁、尿素和柠檬酸钠的摩尔比为1：3：2，每80ml水中聚丙烯酰胺的添加量为0.4～0.6g。

13、本发明的有益效果是：

14、本发明在海绵上负载磁性fe3o4然后在高温下碳化得到三维n掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4的复合材料，商用海绵经过简单的碳化后完美保持原有的三维网络结构，提供水通道，而碳海绵自身具有的优异光热转换效果可以高效利用太阳能驱动海水淡化，解决了其它复合水凝胶材料中凝胶基质与光吸收剂之间相互作用较弱的问题，具有长期稳定，碳海绵上含有丰富的n与fe进行掺杂使其具有高效催化降解海水或废水中有机污染的能力，得到的三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料同时具有稳定光热转换能力以及高效光催化效率，制备工艺简单且造价低廉，具有突出的光蒸发速率和稳定性,在标准太阳光照射下,高效海水淡化碳海绵材料的光热转换效率高达93.21％，在氙灯照射下，40min内对有机染料催化降解效果达到96％以上。

技术特征：

1.一种三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料，其特征在于，以碳海绵作为多孔基体，磁性fe3o4负载在所述碳海绵的骨架结构表面，所述碳海绵为氮掺杂的三维桥连结构。

2.三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将海绵在磁性fe3o4纳米颗粒水溶液中浸泡一定时间，烘干后煅烧使海绵碳化得到所述三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料，所述海绵为含有氮源的商用海绵。

3.根据权利要求2所述的三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料的制备方法，其特征在于，所述海绵为聚氨酯海绵、聚醚海绵或三聚氰胺海绵。

4.根据权利要求2所述的三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料的制备方法，其特征在于，所述海绵用水和乙醇清洗、烘干后使用。

5.根据权利要求2所述的三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料的制备方法，其特征在于，所述磁性fe3o4纳米颗粒的浓度为0.016～0.034m。

6.根据权利要求2所述的三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料的制备方法，其特征在于，海绵浸泡的时间为0.5～2h。

7.根据权利要求2所述的三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料的制备方法，其特征在于，煅烧的温度为400～800℃，时间为0.5～2h。

8.根据权利要求2所述的三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料的制备方法，其特征在于，磁性fe3o4纳米颗粒通过水热法制备得到。

9.根据权利要求8所述的三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料的制备方法，其特征在于，所述水热法的具体步骤为：将六水合氯化铁加入到含尿素和柠檬酸钠的水溶液中，搅拌均匀，加入聚丙烯酰胺搅拌均匀后转移至高压反应釜中，160～200℃反应12～24h，反应产物洗涤、离心得到所述磁性fe3o4纳米颗粒。

10.根据权利要求8所述的三维氮掺杂碳海绵支撑磁性fe3o4复合材料的制备方法，其特征在于，六水合氯化铁的浓度为0.05～0.1m，六水合氯化铁、尿素和柠檬酸钠的摩尔比为1：3：2，每80ml水中聚丙烯酰胺的添加量为0.4～0.6g。

技术总结
本发明提供了一种三维氮掺杂碳海绵支撑磁性Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;复合材料及其制备方法，三维氮掺杂碳海绵支撑磁性Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;复合材料以碳海绵作为多孔基体，磁性Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;负载在所述碳海绵的骨架结构表面，所述碳海绵为氮掺杂的三维桥连结构，其制备方法为：将海绵在磁性Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;纳米颗粒水溶液中浸泡一定时间，烘干后煅烧使海绵碳化得到所述三维氮掺杂碳海绵支撑磁性Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;复合材料，所述海绵为含有氮源的商用海绵。制备方法简单高效，得到的三维氮掺杂碳海绵支撑磁性Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;复合材料同时具有稳定光热转换能力以及高效光催化效率。

技术研发人员：高玉婷,董诗德,严春杰,张家鑫,黄珍
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16