CN102091620B - 多孔分级结构半导体光催化材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种光催化剂技术领域的多孔分级结构半导体光催化材料的制备方法，通过将油菜花粉浸渍于硝酸铁的前驱液中，经氧化灼烧处理得到氧化铁材料。本发明工艺简单灵活，成本低廉，能通过对氧化铁的晶粒尺寸、多孔分级结构进行有效控制而获得具有优良性能的光催化剂材料，制备的这种具有多孔分级结构的光催化剂材料能在太阳光下催化分解有机污染物。

Description

多孔分级结构半导体光催化材料的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种光催化剂技术领域的方法，具体是一种多孔分级结构半导体光催化材料的制备方法。
背景技术
随着染料合成、印染等工业废水的不断排放和各种染料的不断使用，进入环境的染料数量和种类不断增加，染料造成的环境污染日趋严重。据报道，全世界每年以废物形式排入环境的染料约6万吨，特别是含有机染料污水，对水生生态系统及其边界环境产生了巨大的冲击，其毒害事件日益发生。
有机染料是一大类化学性质稳定、难以降解的化学品，一般的物理、化学方法，常常达不到对含染料废水进行有效去除的目的。至今所报道的较为有效的处理方法有辐射法、吸附一萃取法、磁分离法、混凝沉降法、高温深度氧化法、化学氧化法和光催化氧化法等。其中，半导体多相光催化是近30年发展起来的新兴研究领域，其作用原理是指在有光参与的条件下，通过催化剂与其表面吸附物之间发生光化学反应和氧化、还原过程，把水中的有机污染物降解为无毒无味的CO2、H2O及一些简单的无机物，从而达到去除有机污染物的目的。由于氧化物半导体材料作为光催化氧化剂能有效地破坏许多结构稳定的生物难降解的有机污染物，与传统的水处理技术中的以污染物的分离、浓缩以及相转移为主的物理方法相比，具有明显的节能高教、降解污染物彻底等优点。
近年来，针对氧化物半导体材料作为光催化剂的研究十分活跃，在实际应用中也发现大多数催化剂材料的光能利用范围较窄，需要对其进行有选择性的表面处理如掺杂改性或进行有机、无机复合以增强其活性，这增大了催化剂制备工艺的难度和复杂性。研究表明多孔分级结构能够增大催化剂的比表面积，有利于其吸附污染物，并可以提高其对有机污染物的降解率，能够有效改善金属氧化物半导体材料的光催化性质。另外，氧化物半导体材料中，Fe2O3的能带间隙(2.2eV)较窄，光响应波长(最大激发波长在560nm)较之一般半导体光催化剂材料在UV区的吸收波长更长，因而Fe2O3对太阳能的利用率将更高，在太阳光下将更有效地发挥其催化性质。因此，研制一种具有多孔分级结构的纳米Fe2O3光催化剂材料，可以高效、简便、经济地处理污水中的有机物，将会有很大的市场应用前景。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多孔分级结构半导体光催化材料的制备方法，该方法工艺简单灵活，成本低廉，能通过对氧化铁的晶粒尺寸、多孔分级结构进行有效控制而获得具有优良性能的光催化剂材料，制备的这种具有多孔分级结构的光催化剂材料能在太阳光下催化分解有机污染物。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过将油菜花粉浸渍于硝酸铁的前驱液中，经氧化灼烧处理得到氧化铁材料。
所述的油菜花粉经无水酒精中反复漂洗干净并晾干。
所述的前驱液是指：浓度为0.1～0.5mol/L的Fe(NO3)3或Fe(NO3)3与CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)的乙二醇溶液。
所述的浸渍是指：将油菜花粉置于硝酸铁的前驱液中浸渍4～14小时后过滤分离出花粉。
所述的氧化灼烧处理是指：将浸渍处理并干燥后的油菜花粉置于氧化炉中以1～5℃/分钟的升温速度升温至500～800℃并保温1～3小时进行灼烧处理，然后停止供热，待炉腔自然冷至室温后取出灼烧产物为黑色粉末，即得到具有分级多孔结构的氧化铁光催化材料。
本发明利用花粉表面含有的很多活性官能团对金属离子的强吸附性，因而有利于实现铁盐溶液的浸渍处理；另外花粉主要由有机生物成分组成，容易通过氧化灼烧进行去除，从而可以最终得到保留了生物多孔分级结构的金属氧化物材料。这里制备的氧化铁为多孔分级结构的空心微球，尺寸在10nm左右，且空心球壳由双层平行管束围绕而成，极大地增加了其作为光催化材料的比表面积和表面活性，有利于其对有机物的吸附和进行催化降解作用。
本发明方法工艺简单，主要原料取材方便，成本低，且不会对环境造成污染，所合成的多孔分级结构氧化铁空心微球能有效吸附并在可见光下快速地催化降解有机物污染物，是一种性能优良的光催化材料。
本发明得到多孔分级结构的氧化铁半导体材料的光催化性能主要评价指标如下：
(1)光照时间：0～120min；
(2)工作条件：氙灯光源；
(3)工作温度：室温(25℃)；
(4)有机物降解率：以50ml浓度为0.1mg/ml的水杨酸溶液为例。
附图说明
图1经无水乙醇清洗处理后的油菜花粉粒的扫描电镜照片图。
图2多孔分级结构氧化铁的扫描电镜照片图；
图中：(a)为多孔分级结构氧化铁低倍扫描电镜照片图(b)多孔分级结构氧化铁的高倍扫描电镜照片图。
图3多孔分级结构氧化铁对水杨酸溶液在太阳光照下的降解率。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
选取具有复杂多孔结构的天然花粉，在乙醇溶液中进行超声处理，待溶液颜色变为黄色后进行抽滤，并在抽滤过程中用无水乙醇清洗，收集黄色粉末状固体，在室温下鼓风干燥。配置0.1mol/L的Fe(NO3)3乙二醇溶液600ml，室温搅拌1.5小时后加入0.5g CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)表面活性剂，继续搅拌0.5小时，得到稳定溶液。将上面已处理好的花粉9.5g在浸渍液中室温浸渍14小时，在浸渍过程中超声分散，之后抽滤并用乙醇溶液清洗，得到固体产物在40℃鼓风干燥。烘干处理后的花粉放入炉膛，以5℃每分钟的升温速度加热至100℃，保温5分钟，继续以2℃每分钟的升温速率加热至250℃，保温2小时，再以1℃每分钟的速率加热至500℃，保温2小时停止供热，待炉温自然降至室温后取出，即得到一种具有花粉多孔分级结构的氧化铁材料用做光催化剂。
光催化性质测试如下：称取以上制备的氧化铁20mg加入到50ml浓度为0.1mg/ml的水杨酸溶液中，避光搅拌30min后在氙灯下每隔20min取样5ml测量吸光度，通过计算得出室温太阳光照下2小时对水杨酸的降解率为27.08％。
如图1所示：经无水乙醇清洗处理后的油菜花粉粒的扫描电镜照片图。
如图2所示：多孔分级结构氧化铁不同倍数下扫描电镜照片图。
如图3所示：500℃煅烧得到多孔分级结构氧化铁对水杨酸溶液在太阳光照下的降解率。
实施例2
选取具有复杂多孔结构的天然花粉，在乙醇溶液中进行超声处理，待溶液颜色变为黄色后进行抽滤，并在抽滤过程中用无水乙醇清晰，收集黄色粉末状固体，在室温下鼓风干燥。配置0.1mol/L的Fe(NO3)3的乙二醇溶液600ml，室温搅拌1.5小时后加入0.5g CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)表面活性剂，继续搅拌0.5小时，得到稳定溶液。将上面已处理好的花粉9.5g在浸渍液中室温浸渍14小时，在浸渍过程中超声分散，之后抽滤并用乙醇溶液清洗，得到固体产物在40℃鼓风干燥。烘干处理后的花粉放入炉膛，以5℃每分钟的升温速度加热至100℃，保温5分钟，以2℃每分钟的升温速率加热至250℃，保温2小时，再以1℃每分钟的速率加热至600℃，保温2小时停止供热，待炉温自然降至室温后取出，即得到一种具有花粉多孔结构特征的氧化铁用做光催化材料。
实施例3
选取具有复杂多孔结构的天然花粉，在乙醇溶液中进行超声处理，待溶液颜色变为黄色后进行抽滤，并在抽滤过程中用无水乙醇清晰，收集黄色粉末状固体，在室温下鼓风干燥。配置0.1mol/L的Fe(NO3)3的乙二醇溶液600ml，室温搅拌1.5小时后加入0.5g CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)表面活性剂，继续搅拌半小时，得到稳定溶液。将上面已处理好的花粉9.5g在浸渍液中室温浸渍14小时，在浸渍过程中超声分散，之后抽滤并用乙醇溶液清洗，得到固体产物在40℃鼓风干燥。烘干处理后的花粉放入炉膛，以5℃每分钟的升温速度加热至100℃，保温5分钟，以2℃每分钟的升温速率加热至250℃，保温2小时，再以1℃每分钟的速率加热至700℃，保温2小时停止供热，待炉温自然降至室温后取出，即得到一种具有花粉多孔结构特征的氧化铁用做光催化材料。

Claims (4)

1.一种多孔分级结构半导体光催化材料的制备方法，其特征在于，通过将油菜花粉浸渍于硝酸铁的前驱液中，浸渍处理并干燥后的油菜花粉经氧化灼烧处理得到氧化铁材料；
所述的油菜花粉经无水酒精中反复漂洗干净并晾干；
所述的前驱液是指：在浓度为0.1~0.5mol/L的Fe(NO3)3的乙二醇溶液中加入CTAB形成的稳定溶液。
2.根据权利要求1所述的多孔分级结构半导体光催化材料的制备方法，其特征是，所述的浸渍是指：将油菜花粉置于硝酸铁的前驱液中浸渍4~14小时后过滤分离出花粉。
3.根据权利要求1所述的多孔分级结构半导体光催化材料的制备方法，其特征是，所述的氧化灼烧处理是指：将浸渍处理并干燥后的油菜花粉置于氧化炉中以1~5℃/分钟的升温速度升温至500~800℃并保温1~3小时进行灼烧处理，然后停止加热，待炉腔自然冷至室温后取出灼烧产物为黑色粉末，即得到具有分级多孔结构的氧化铁光催化材料。
4.一种多孔分级结构半导体光催化材料，其特征在于，根据上述任一权利要求所述方法制备得到。
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