CN104307538B - 一种高效复合光催化材料的制备及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效复合光催化材料MoS2/SrTiO3的制备及应用方法。该光催化材料由钛酸锶和二硫化钼经二次水热法复合而成，步骤如下：将碳酸异丙酯与柠檬酸混合，在超声搅拌条件下分别逐滴加入硝酸锶溶液和氢氧化钠溶液，得到的前驱体置于水热釜中加热，产物经洗涤干燥后得到纳米钛酸锶；然后将钛酸锶与二硫化钼前驱体溶液充分混合，置于水热釜中加热，产物经洗涤干燥后得到MoS2/SrTiO3光催化材料。该光催化材料的制备方法简单，无需高温煅烧，成本低，可循环利用，并高效降解甲基橙或与甲基橙具有相似显色基团的有机染料，在含有机染料废水处理领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效复合光催化材料的制备及应用，尤其是一种用于降解有机染料的MoS2/SrTiO3高效复合光催化材料的制备方法及其在紫外光条件下对甲基橙染料或与甲基橙具有相似显色基团的有机染料的有效降解。
背景技术
近年来，纺织品、涂料、印刷、日用品等其他化工工厂排放的废水已经成为最受关注的环境问题之一，这些废水中含有大量有机染料分子，不仅污染破坏生态环境，而且其中含有的毒性芳烃中间产物对人类具有致癌性。此类废水中有机染料含量高，且合成有机染料分子稳定性强，物理化学吸附、絮凝沉降、生物降解及活性污泥等传统废水处理方法不能完全净化此类含有有机染料分子的废水。此外，这些传统水处理方法将有机染料分子污染物从液相中转移至其他介质中，从而造成二次污染。因此，大力发展不同与传统水处理方法的可降解有机染料分子污染物的绿色友好环境技术，对于保护生态环境、可持续发展具有重要意义。
研究发现，半导体光催化材料具有氧化性，可以通过氧化反应有效的氧化有机染料分子，从而移除废水中的污染物。同时，光催化技术渐渐成为最具前景的技术之一，其优点为可利用辐射能和空气中的氧气作为反应源有效的进行氧化还原反应。其中，钛酸锶具有大量的光催化活性中心、较强的抗光腐蚀性、热稳定性以及可负载金属的结构稳定性等物理化学性质，因此钛酸锶可以在紫外光条件下进行光催化产氢和降解有机染料分子等其他光催化反应。
为了提高钛酸锶的光催化性能，经常采用的方法是掺杂贵金属或者其他材料。如CN103920482A中用锆掺杂钙钛矿型光催化剂来提高光催化性能，但是该法需要高温煅烧且材料并不廉价；CN102974378A中采用低能氮离子束轰击钛酸锶晶片来制备氮掺杂钛酸锶光催化剂，此种方法具有可观的可见光催化，也具有增强的紫外光催化，但是需辅以高温加热，而且所需设备复杂；
本发明通过简单的二次水热方法在纳米钛酸锶表面结合少量的层状纳米二硫化钼，减少钛酸锶中电子空穴的复合几率，从而提高钛酸锶的光催化降解有机染料分子的性能。这种复合材料并没有负载贵金属，制备方法简单，不需要高温，而且该光催化剂能够循环利用，并不会造成二次污染，所以MoS2/SrTiO3是一种廉价的、环境友好的光催化剂。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种MoS2/SrTiO3高效复合光催化材料的制备方法，以减少传统钛酸锶光催化材料的电子空穴复合几率，从而提高其光催化降解有机染料分子的效率。
技术方案：本发明是首次将少量层状纳米二硫化钼与钛酸锶结合，制备成高效复合光催化降解材料。同时，该复合光催化材料中二硫化钼和钛酸锶的质量比，可影响其光催化降解甲基橙或与甲基橙具有相似显色基团的有机染料分子的效率。
该材料由MoS2与SrTiO3复合而成，层状纳米二硫化钼具有金属性，可以转移钛酸锶中受紫外光激发产生的电子，减少钛酸锶中电子空穴复合几率，有效的提高其光催化效率，其制备方法具体步骤如下：
1).将柠檬酸溶于无水乙醇，随后快速加入钛酸异丙酯，搅拌25-50min后，用超声波处理，并逐滴加入硝酸锶和氢氧化钠，上述组分的摩尔比是柠檬酸2-8：无水乙醇100-400:钛酸异丙酯1-10:硝酸锶2-12:氢氧化钠10-80，充分搅拌超声波25-50min后，将整个体系转移至含聚四氟乙烯内衬的水热釜中，加热至180-200℃后维持20-40h；反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水、乙酸和乙醇洗涤后，真空干燥6-12h；
2).为制备含不同质量分数二硫化钼的光催化材料，取钛酸锶、钼酸钠和硫代乙酰胺溶于去离子水和无水乙醇中，上述组分的摩尔比是钛酸锶87.25：钼酸钠0-5：硫代乙酰胺0-30，超声波搅拌20-40min后，转移至含对位聚苯PPL内衬的水热釜中，加热至180-200℃后维持36-60h；反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥6-12h；二硫化钼质量分数为0-5；
本发明的高效复合光催化材料在紫外光下用于降解有机染料。
该复合光催化材料中二硫化钼的质量分数能影响其光催化降解甲基橙效率，最佳光催化降解甲基橙效率时，二硫化钼和钛酸锶的质量比为二硫化钼0.04-0.06：钛酸锶90-100。
有益效果：与现有的光催化降解废水材料相比，本发明的优点在于：
(1)本发明首次公开一种新型MoS2/SrTiO3高效复合光催化材料的制备方法，该复合材料制备工艺简单，无需高温煅烧，成本低，可回收循环利用。
(2)本发明所制备的MoS2/SrTiO3复合光催化材料，可通过调节其所含MoS2质量，减少SrTiO3中电子空穴复合几率，从而有效提高其光催化降解甲基橙的效率。
具体实施方式
实施例1：将0.006mol柠檬酸溶于15ml无水乙醇，快速加入0.005mol钛酸异丙酯，搅拌一段时间，开始超声(60Hz)，并逐滴加入20mL 0.25mol·L-1硝酸锶溶液和25mL 2mol·L-1氢氧化钠溶液。充分搅拌超声后，将整个体系转移至含聚四氟乙烯内衬的水热釜中，加热至180℃后维持36h。反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水、乙酸和乙醇洗涤，真空干燥8h；称取0.50g钛酸锶溶于20ml去离子水和20ml无水乙醇中，并移取3.1mL0.0001mol·L-1钼酸钠溶液和5.0mL 0.001mol·L-1硫代乙酰胺溶液，超声搅拌30min充分混合后，转移至含对位聚苯(PPL)内衬的水热釜中，加热至180℃维持20h。反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥10h。将0.30g的光催化剂分散到30mg·L-1的甲基橙溶液中，经过30min的激烈搅拌后，经过45min后的紫外光照射，用分光光度计法测其降解率为87.4％。
实施例2：将0.005mol柠檬酸溶于15ml无水乙醇，快速加入0.0045mol钛酸异丙酯，搅拌一段时间，开始超声(60Hz)，并逐滴加入20mL 0.2mol·L-1硝酸锶溶液和25mL1.8mol·L-1氢氧化钠溶液。充分搅拌超声后，将整个体系转移至含聚四氟乙烯内衬的水热釜中，加热至200℃后维持40h。反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水、乙酸和乙醇洗涤，真空干燥6h；称取0.6g钛酸锶溶于25ml去离子水和30ml无水乙醇中，并移取1.6mL0.001mol·L-1钼酸钠溶液和2.5mL 0.01mol·L-1硫代乙酰胺溶液，超声搅拌35min充分混合后，转移至含对位聚苯(PPL)内衬的水热釜中，加热至200℃维持48h。反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥6h。将0.25g的光催化剂分散到30mg·L-1的甲基橙溶液中，经过30min的激烈搅拌后，经过45min后的紫外光照射，用分光光度计法测其降解率为98.1％。
实施例3：将0.008mol柠檬酸溶于20ml无水乙醇，快速加入0.006mol钛酸异丙酯，搅拌一段时间，开始超声(60Hz)，并逐滴加入20mL 0.35mol·L-1硝酸锶溶液和25mL 3mol·L-1氢氧化钠溶液。充分搅拌超声后，将整个体系转移至含聚四氟乙烯内衬的水热釜中，加热至190℃后维持20h。反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水、乙酸和乙醇洗涤，真空干燥12h；称取0.55g钛酸锶溶于15ml去离子水和25ml无水乙醇中，并移取3.1mL0.001mol·L-1钼酸钠溶液和5.0mL 0.01mol·L-1硫代乙酰胺溶液，超声搅拌30min充分混合后，转移至含对位聚苯(PPL)内衬的水热釜中，加热至190℃维持48h。反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥10h。将0.35g的光催化剂分散到30mg·L-1的甲基橙溶液中，经过30min的激烈搅拌后，经过45min后的紫外光照射，用分光光度计法测其降解率为82.9％。
实施例4：将0.007mol柠檬酸溶于20ml无水乙醇，快速加入0.0055mol钛酸异丙酯，搅拌一段时间，开始超声(60Hz)，并逐滴加入20mL 0.3mol·L-1硝酸锶溶液和25mL 3mol·L-1氢氧化钠溶液。充分搅拌超声后，将整个体系转移至含聚四氟乙烯内衬的水热釜中，加热至200℃后维持35h。反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水、乙酸和乙醇洗涤，真空干燥10h；称取0.65g钛酸锶溶于30ml去离子水和30ml无水乙醇中，并移取3.1mL 0.1mol·L-1硫代乙酰胺溶液和5mL 0.1mol·L-1硫代乙酰胺溶液，超声搅拌充分混合后，转移至含对位聚苯(PPL)内衬的水热釜中，加热至200℃维持38h。反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥10h。将0.30g的光催化剂分散到30mg·L-1的甲基橙溶液中，经过30min的激烈搅拌后，经过45min后的紫外光照射，用分光光度计法测其降解率为80.9％。
实施例5：将0.005mol柠檬酸溶于20ml无水乙醇，快速加入0.006mol钛酸异丙酯，搅拌一段时间，开始超声(60Hz)，并逐滴加入20mL 0.2mol·L-1硝酸锶溶液和25mL2.2mol·L-1氢氧化钠溶液。充分搅拌超声后，将整个体系转移至含聚四氟乙烯内衬的水热釜中，加热至180℃后维持40h。反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水、乙酸和乙醇洗涤，真空干燥10h；称取0.6g钛酸锶溶于25ml去离子水和30ml无水乙醇中，并移取1.6mL0.001mol·L-1钼酸钠溶液和2.5mL 0.01mol·L-1硫代乙酰胺溶液，超声搅拌充分混合后，转移至含对位聚苯(PPL)内衬的水热釜中，加热至200℃维持48h。反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥6h。将0.30g的光催化剂分散到30mg·L-1的甲基橙溶液中，经过30min的激烈搅拌后，经过45min后的紫外光照射，用分光光度计法测其降解率为90.3％。
Claims (3)
1.一种高效复合光催化材料的制备方法，其特征在于：该材料由MoS2与SrTiO3复合而成，其制备方法具体步骤如下：
1).将柠檬酸溶于无水乙醇，快速加入钛酸异丙酯，搅拌25-50min后，用超声波处理，并逐滴加入硝酸锶和氢氧化钠，上述组分的摩尔比是柠檬酸2-8：无水乙醇100-400:钛酸异丙酯1-10:硝酸锶2-12:氢氧化钠10-80，充分搅拌超声波25-50min后，将整个体系转移至含聚四氟乙烯内衬的水热釜中，加热至180-200℃后维持20-40h；反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水、乙酸和乙醇洗涤后，真空干燥6-12h；
2).为制备含不同质量分数二硫化钼的光催化材料，取钛酸锶、钼酸钠和硫代乙酰胺溶于去离子水和无水乙醇中，上述组分的摩尔比是钛酸锶87.25：钼酸钠0.01-5：硫代乙酰胺0.16-30，超声波搅拌20-40min后，转移至含对位聚苯PPL内衬的水热釜中，加热至180-200℃后维持36-60h；反应结束后冷却至室温，产物依次用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥6-12h；二硫化钼质量分数为0-5％。
2.一种如权利要求1所述方法制备的高效复合光催化材料的应用，其特征在于：该复合光催化材料在紫外光下用于降解有机染料。
3.如权利要求2所述的高效复合光催化材料的应用，其特征在于：该复合光催化材料中二硫化钼的质量分数能影响其光催化降解甲基橙效率，最佳光催化降解甲基橙效率时，二硫化钼和钛酸锶的质量比为二硫化钼0.04-0.06：钛酸锶90-100。
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