CN104069877B - 一种Fe4I3O24H15可见光催化剂的制备方法及应用 - Google Patents
一种Fe4I3O24H15可见光催化剂的制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种Fe4I3O24H15可见光催化剂的制备方法及应用。本发明的制备方法是：取一定量的Fe(NO3)3·9H2O溶于去离子水中，然后往其中加入一定量的浓硝酸，得到酸性硝酸铁溶液；取一定量的NaIO4溶于去离子水中，得到偏高碘酸钠溶液；将所得硝酸铁溶液和偏高碘酸钠溶液加热到80℃，然后在搅拌状态下将两溶液混合，得到土黄色沉淀；将沉淀分离出来后，在60℃下干燥5h，即得到Fe4I3O24H15样品。本发明方法制备的Fe4I3O24H15可见光催化剂在可见光下降解罗丹明B染料，其活性优于商用二氧化钛P25和高活性的AgI光催化剂。本发明的Fe4I3O24H15化合物可见光催化活性高、制备过程简便、成本低廉、耐用性好、无毒，有利于大规模推广应用。
Description
技术领域
本发明属于环境治理中的光催化技术，具体涉及一种新型可见光催化剂Fe4I3O24H15及其制备方法，以及它在光催化降解有机染料污染物方面的应用。
背景技术
半导体光催化技术可在室温下直接利用太阳光将有机污染物高效地氧化降解。因此，通过光催化方法，充分利用太阳光来降解有机污染物是解决目前环境污染问题的一条有利途径。因紫外光只占太阳光总能量的4％左右，而可见光则占46％左右，所以利用太阳能的关键在于利用太阳光中的可见光。因此，可见光响应型的光催化剂(简称可见光催化剂)在当今环境治理领域具有重要的应用前景。
迄今，已有一些可见光催化剂，如CdS、AgI、Ag3PO4、Ag3AsO4等被成功制备以用于有机污染物的光催化降解，并且AgI、Ag3PO4、Ag3AsO4等这些无机银盐类的光催化剂都表现出很高的可见光催化活性。通过发展新型光催化剂以获得比这些无机银盐更高的可见光催化活性，本身就是一项很大的挑战。另外，非常重要的是，这些已有的可见光催化剂一般存在以下一种或多种缺点：(1)活性低。如CdS，因为能带结构的不利因素，它光催化降解有机污染物的活性较低。(2)制备成本高。如AgI、Ag3PO4、Ag3AsO4它们都含贵金属。(3)稳定性低。如CdS、AgI、Ag3PO4、Ag3AsO4，它们在光催化过程中都很容易发生光腐蚀，光腐蚀一般导致光催化活性的降低，因此耐用性低。(4)毒性高。如CdS、Ag3AsO4，它们本身的毒性较高。这些技术严重阻碍了光催化技术的实用化进程。因此，发展高效、廉价、稳定、无毒的可见光催化剂对于光催化技术在环境治理领域的普及应用，以及太阳能的高效利用，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种新型可见光催化剂Fe4I3O24H15的制备方法。
本发明的可见光催化剂Fe4I3O24H15的制备方法，包括如下顺序的步骤：
(1)取一定量的Fe(NO3)3·9H2O溶于去离子水中，然后往其中加入一定量的浓硝酸，得到酸性硝酸铁溶液；
(2)取一定量的NaIO4溶于去离子水中，得到偏高碘酸钠溶液；
(3)将步骤(1)所得硝酸铁溶液和步骤(2)所得偏高碘酸钠溶液加热到80℃，然后在搅拌状态下将两溶液混合，得到土黄色沉淀；将沉淀分离出来后，在60℃下干燥5h，即得到Fe4I3O24H15样品。
具体地说，所述的Fe4I3O24H15用量、NaIO4用量、浓硝酸用量、去离子水总用量的摩尔比为1.0：(0.3～3.0)：(7.5～12.0)：(560～1100)。
所述浓硝酸的浓度为65wt％。
本发明的目的之二在于提供上述制备方法制备的Fe4I3O24H15可见光催化剂的应用：所述Fe4I3O24H15可见光催化剂可用于有机染料污染物的降解。在可见光下降解罗丹明B染料，其活性优于商用二氧化钛P25和高活性的AgI光催化剂。
在上述制备方案中，本发明保持其它条件不变，调变了浓硝酸和NaIO4的用量，以考察合成介质酸碱度和原料量的比例对所得Fe4I3O24H15光催化剂活性的影响。
Fe4I3O24H15光催化剂的表征：
通过扫描电镜(SEM)实验表征光催化剂的形貌，并获得相应的EDS结果，通过紫外-可见漫反射光谱(UV-VisDRS)实验表征光催化剂的光吸收区间。
Fe4I3O24H15光催化降解罗丹明B的活性评价及其制备条件的优化：
在室温下，以罗丹明B为底物，用波长大于420nm的可见光进行照射，评价光催化剂降解罗丹明B的活性。结果表明，当光催化剂制备中Fe4I3O24H15用量、NaIO4用量、浓硝酸(65wt％)用量、去离子水的总用量的摩尔比为1.0：(0.3～3.0)：(7.5～12.0)：(560～1100)时，所得Fe4I3O24H15的光催化活性很接近，且明显高于P25和AgI。如此制备方案所得Fe4I3O24H15的耐用性很高，Fe4I3O24H15在循环使用至少5次后，活性没有降低。
本发明方法制备的Fe4I3O24H15化合物应用于光催化领域，解决了现有光催化技术中存在的光催化剂活性低、制备过程复杂、制备成本高昂、化学稳定性低和高毒性的问题。本发明方法制备的Fe4I3O24H15化合物可见光催化活性高、制备过程简便、成本低廉、耐用性好、无毒，有利于大规模推广应用。
值得说明的是，截止本专利申请提交之时，申请者只发现两篇有关Fe4I3O24H15研究的文献，它们分别在1962和1995年发表(Inorg.Chem.,1962,1,842；J.Chem.Soc.,DaltonTrans.,1995,20,3367)，仅对Fe4I3O24H15合成和光谱性质进行了报道，没有涉及该化合物的光催化性质研究。因此，本发明的显著优点在于：(1)首次将Fe4I3O24H15化合物应用于光催化领域，并发现Fe4I3O24H15具有优异的光催化性能，以及在环境治理领域良好的实用前景；(2)在Fe4I3O24H15化合物的制备方面进一步探索，确定了高活性Fe4I3O24H15光催化剂的优化制备条件。
附图说明
图1中a部分右上角为本发明实施例制备的Fe4I3O24H15光催化剂的光学照片，图1中a部分左边和右下角为Fe4I3O24H15光催化剂的SEM图，图1中b部分为相应的EDS结果图。
图2为本发明实施例制备的Fe4I3O24H15光催化剂的UV-VisDRS谱图。
图3为本发明实施例制备的Fe4I3O24H15，以及P25和AgI光催化剂降解罗丹明B染料的活性结果图。其中，C0为光催化剂加入前罗丹明B的初始浓度，即12.0mg/L，C为光催化过程中任一时刻下罗丹明B的浓度。
图4为本发明实施例制备的Fe4I3O24H15光催化剂在降解罗丹明B实验中循环使用的活性结果图。其中，C0、C的意义同图3。
具体实施方式
下面是本发明Fe4I3O24H15光催化剂的制备和应用研究的具体实施例，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的限定。
(1)Fe4I3O24H15光催化剂的制备：
取10mmol的Fe(NO3)3·9H2O溶于50mL去离子水中，然后往其中加入7.5mL浓硝酸(浓度为65wt％)，得到酸性硝酸铁溶液。取10mmol的NaIO4溶于50mL去离子水，得到偏高碘酸钠溶液。将硝酸铁溶液和偏高碘酸钠溶液加热到80℃，然后在搅拌状态下将两溶液混合，得到沉淀。将沉淀分离出来后，在60℃下干燥5h，得到Fe4I3O24H15样品。
(2)Fe4I3O24H15光催化剂的表征：
从图1可见，Fe4I3O24H15样品显土黄色，具有1–20μm粒径的无规则形貌。由EDS结果可知，样品中Fe、I、O原子的摩尔比近似为4:3:24，这说明Fe4I3O24H15样品成功制备。从图2可见，Fe4I3O24H15样品的吸收带边在540nm左右，这表明是一种可见光响应型的光催化剂。
(3)Fe4I3O24H15光催化降解罗丹明B的活性评价：
将所得Fe4I3O24H15样品以罗丹明B为降解底物，进行光催化活性评价，并将其活性结果与P25和纯AgI对比。
光催化活性测试方案为：将75mg光催化剂置于100mL浓度为12mg/L的罗丹明B溶液(盛装于500mL的敞口烧杯)中，室温下避光搅拌20min，使罗丹明分子在光催化剂表面达到吸附–脱附平衡。然后打开500W氙灯(PLS-SXE300、北京泊菲莱科技有限公司)，用滤光片滤去波长低于420nm的光，罗丹明B溶液液面位于氙灯正下方，液面与灯管中心之间的距离为14厘米。分别在不同时间点取样，离心分离后取上清液，将上清液稀释得到试样。用紫外分光光度计(Lambda35、美国PerkinElmer公司)测定试样在553nm处的吸光度。最后根据浓度-吸光度标准曲线推算试样的罗丹明B浓度。
光催化剂循环使用实验方案为：在前一次的光催化降解实验完成后，将光催化剂离心分离，在60℃下干燥5h后，再用于下一次的光催化活性测试。具体测试条件，如光催化剂用量、罗丹明B用量等，同上述光催化活性测试方案。
由图3可见，Fe4I3O24H15光催化剂在25分钟以内将罗丹明B完全降解，AgI完全降解需要60分钟，P25即使在120min内降解罗丹明B的效率也非常低。因此，Fe4I3O24H15光催化剂的活性明显高于P25和AgI。图4给出了Fe4I3O24H15光催化剂在降解罗丹明B实验中循环使用的活性结果。由图4可见，新鲜的Fe4I3O24H15光催化剂在连续循环使用的5次实验中，都能在25分钟以内将罗丹明B完全降解，其活性没有降低。这说明Fe4I3O24H15光催化剂具有很高的耐用性和稳定性。
Claims (2)
1.一种Fe4I3O24H15可见光催化剂的应用，Fe4I3O24H15可见光催化剂的制备方法是：
(1)取一定量的Fe(NO3)3·9H2O溶于去离子水中，然后往其中加入一定量的浓硝酸，得到酸性硝酸铁溶液；
(2)取一定量的NaIO4溶于去离子水中，得到偏高碘酸钠溶液；
(3)将步骤(1)所得硝酸铁溶液和步骤(2)所得偏高碘酸钠溶液加热到80℃，然后在搅拌状态下将两溶液混合，得到土黄色沉淀；将沉淀分离出来后，在60℃下干燥5h，即得到Fe4I3O24H15样品；
其特征在于：所述Fe4I3O24H15可见光催化剂可用于有机染料污染物的降解。
2.根据权利要求1所述Fe4I3O24H15可见光催化剂的应用，其特征在于：在可见光下降解罗丹明B染料，其活性优于商用二氧化钛P25和高活性的AgI光催化剂。
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