CN104437495B - 一种分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂及其应用 - Google Patents
一种分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂，该分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂以FeOOH为基底，钛酸丁酯、四氯化钛、硫酸氧钛或异丙醇钛为钛源，通过水热反应制备具有分级结构的α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂，然后，将分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂分散在含重金属离子的水中在模拟太阳光下照射进行吸附和光催化反应，提供了一种分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂在处理水中重金属离子污染的新应用。
Description
技术领域
本发明涉及无机功能材料领域，特别涉及一种分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的制备方法及其在处理水中重金属离子污染的应用。
背景技术
在我国，随着沿海地区经济的快速发展，人口和产业的高度聚集，大量的含重金属离子的废水流入海洋，这些污染物的肆意排放超过了海洋自身的净化能力，从而造成靠近大陆海湾的污染。重金属(重金属是指密度大于5g/cm3的金属元素，在环境污染方面所指的重金属主要是指生物毒性显著的Zn、Cu、Hg、Cr、Cd、Pb等)因其特殊的化学、地球化学性质及毒性效应，被称为环境中具有潜在危害的重要污染物，具有高度危害性和难治理性。
目前，常用的处理重金属离子废水的方法有：化学沉淀法、离子交换法、膜分离法、电解法和吸附法等。化学沉淀法是向重金属离子废水中投加化学沉淀剂或还原剂使重金属离子沉淀或还原的方法。化学沉淀法需要后续处理，需要间歇式操作，工艺复杂，不利于工业化推广；离子交换法是利用离于交换剂的交换基团，与废水中的金属离子进行交换反应，将金属离子置换到交换剂上予以除去的方法。离子交换法对阴离子和阳离子学要采用相应的交换树脂，也不利于工业化操作；膜分离法是利用一种特殊的半透膜，在外界压力的作用下，在不改变溶液中化学形态的基础上，将溶剂和溶质进行分离或浓缩的方法，但膜造价昂贵，不利于工业化应用；电解法是利用电极与重金属离子发生电化学作用而消除其毒性的方法。按照阳极类型不同，将电解法分为电解沉淀法和回收重金属电解法两类。电解法设备简单、占地小、操作管理方便、而且可以回收有价金属。但电耗大、出水水质差、废水处理量小；吸附法是将重金属浓缩并转移，不改变重金属离子的化学性质及生物性，需要后续处理，工艺复杂。近年来二氧化钛(TiO2)半导体非均相光催化技术在去除水中重金属离子方面越来越受到人们的关注。TiO2具有常温常压下反应、活性高、热稳定性好、价格便宜、对人体无毒无害、能充分利用太阳光和节约能源、兼具氧化和还原特性、不会造成二次污染等优点。因此，制备α-Fe2O3/TiO2双功能光催化剂用来处理水体中的重金属污水保障人们的生活健康和社会经济的良好发展已经成为当今社会经济可持续发展的有效途径。TiO2在太阳光的照射下，能够把光能转变成化学能，光催化还原金属离子。TiO2光催化还原金属离子可能存在三种途径：(1)直接还原，即光生电子直接还原热力学上可行的金属离子。例如：Au(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)、Ag(Ⅰ)、Cu(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)等。(2)间接还原，即由空穴先氧化添加的有机物(空穴捕获剂)，然后由产生的中间体来还原金属离子。(3)氧化去除金属离子，对于氧化还原电位比TiO2导带电位更负，不能被光生电子直接还原的金属离子，被h+或·OH所氧化，以高氧化态稳定存在，Pb(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)。一些报道关于TiO2光催化氧化或还原重金属离子，例如：宋寒等利用TiO2光催化直接还原Cr(VI)[环境科学,2006,27(5):913-917]；李树本等报道了在有机物存在条件下利用TiO2间接光催化还原Cr(VI)[物理化学学报,1997(2):106-112]；Fu等人报道了TiO2对水中重金属离子的光催化氧化，即利用所制备的介孔α-Fe2O3/TiO2对水中高毒的As(Ⅲ)的同时进行吸附和光催化氧化，研究表明该材料能快速吸附水中高毒的As(Ⅲ)并将其氧化为低毒的As(Ⅴ)，循环利用8次以上仍保持良好的吸附和光催化氧化性能，在水处理应用中具有良好的稳定性[J.Phys.Chem.C2008,112,19584–19589]；Zhang等报道了在N2氛围中，Pb(Ⅱ)在TiO2纳米晶表面的光催化还原[ThinSolidFilms518(2010)6006–6009]；可见，TiO2对水中重金属的光催化氧化或还原已经取得了一定的研究进展，但目前还有一些难题使其在实际应用中存在困难，例如，(1)TiO2粉末不利于回收再利用，回收再利用的光催化或还原效率降低，吸附效率低；(2)TiO2形态的精确调控不易，新颖形态的TiO2光催化剂的制备仍有待探索；(3)TiO2复合物多功能光催化剂的研发还不成熟，如何复合之后保持TiO2具有较高的光催化性能还在发展中。因此，发明一种价格低廉、制备工艺简单、反应条件温和、兼具吸附性能和光催化性能、无二次污染、可回收利用、适用范围广且具有广阔工业化应用前景的双功能光催化剂成为目前研究的热点。
α-Fe2O3具有一定的磁性，同时也是一种良好的吸附剂，因此，常被用于制备复合物以便于达到回收再利用的目的，TiO2是一种n-型半导体，具有良好的稳定性，且无毒无害，是被广泛应用的光催化剂，常用来降解水中的有机污染物，以及用于重金属离子的光催化氧化或还原，制备α-Fe2O3/TiO2双功能光催化剂可以同时达到吸附和光催化氧化或还原重金属离子的目的，所以，利用分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂处理水中的重金属离子成为本发明的首选。
利用分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂用于处理水中的重金属离子具有重要的现实意义，同时，可望在海洋环境污染控制和保护领域具有潜在的应用价值。因此，发明一种分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的制备方法在含重金属离子水处理方面显得极其重要。
发明内容
本发明的目的针对当前技术中存在的不足，提供一种分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂及其制备方法。该分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂以FeOOH为基底，钛酸丁酯、四氯化钛、硫酸氧钛或异丙醇钛为钛源，通过水热反应制备具有分级结构的α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂，然后，将分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂分散在含重金属离子的水中在模拟太阳光下照射进行吸附和光催化反应，提供了一种分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂在处理水中重金属离子污染的新应用。
本发明的技术方案为：
一种分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂，该光催化剂为用以下方法制得，包括下述步骤：
将钛源在室温下加入到溶剂中溶解，得到钛前驱体溶液；再加入FeOOH粉体，超声分散5min，将上述混合液转移到反应釜中，在聚四氟高压反应釜中160-180℃保持6-24h，冷却至室温后，沉淀用乙醇或蒸馏水洗涤，再经80-100℃干燥12-24h即得到分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂；其中，摩尔比钛源：FeOOH＝1:5-10；
所述的钛源为钛酸丁酯、三氯化钛、四氯化钛、异丙醇钛或硫酸氧钛。
所述的溶剂为无水乙醇或蒸馏水。
所述的FeOOH粉体的制备方法，包括以下步骤：
(1)CuO的制备：将Cu(CH3COO)2·H2O和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到二甲基甲酰胺中(DMF)，再将NaBH4加入到上述溶液中，搅拌至溶解后，将混合物加热到80℃并在水浴中保持15min，产物用乙醇洗涤，得到Cu2O纳米球，将其在60℃下干燥，然后转移到马弗炉中在300℃下保持30min，以得到CuO单分散纳米球；其中物料配比为：每25ml的二甲基甲酰胺中加2mmol的Cu(CH3COO)2·H2O，0.5-2mmol的聚乙烯吡咯烷酮和30mg的NaBH4；
(2)FeOOH的制备：将上述制备的CuO纳米球加入到去离子水中，超声波分散5-10min，再加入FeCl2，然后将混合溶液在聚四氟高压反应釜中170℃保持1h，冷却至室温后，沉淀用氨水和去离子水的混合液洗涤，再分别用去离子水和乙醇洗涤，再经80℃干燥12h即得到FeOOH粉体；其物料配比为：质量比CuO纳米球：FeCl2＝1：1，每70mL去离子水加50mg的CuO纳米球。
所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的分子量为30000-100000。
所述的步骤(2)中的混合液中的组成为体积比氨水：去离子水＝1:1。
所述的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的应用方法，用于去除水中重金属离子，包括如下步骤：
(1)称取含有重金属无机盐的溶液，其中，溶液中重金属离子的浓度为0.001-0.05M；
(2)将分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂加入到含重金属离子的水溶液中，加入量为1mg催化剂/mL重金属离子溶液，于室温～40℃水浴中加热搅拌，同时在150W高压卤素灯下距离光源10～20cm光照反应0.5～2h，通过盐酸或氢氧化钠溶液调pH值为2-7，反应完毕。
所述的步骤(1)中重金属无机盐具体为可溶性铜盐、可溶性锌盐、可溶性铅盐和可溶性镉盐中的一种盐溶液或多种混合盐溶液。
所述的步骤(1)中可溶性铜盐为氯化铜、硝酸铜、硫酸铜等；可溶性锌盐为氯化锌、硝酸锌等；可溶性铅盐为硝酸铅；可溶性镉盐为氯化镉。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
(1)本发明采用具有磁性的α-Fe2O3作为二元复合物其中的一个成分，不但α-Fe2O3本身具有良好的吸附性能，其对重金属离子的吸附率均达到90％以上，从而可以提高复合物的吸附性能，而且有利于应用过程中粉末样品的回收，粉末样品的回收利用是制约其规模化应用的首要问题，该技术解决了其在规模化应用中的重要难题；
(2)本发明制备的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂具有分级和中空结构，这种复合物同时具有吸附和光催化氧化/还原双重功能，α-Fe2O3/TiO2的形态对其吸附和光催化性能具有重要影响，与普通的TiO2相比，分级中空结构的α-Fe2O3/TiO2去除重金属离子的效果要高出60％以上，这种特殊结构大大提高了重金属离子的吸附和光催化氧化/还原性能；
(3)本发明利用具有双重功能的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂处理水中的重金属离子丰富了水体中重金属离子处理的相关原理，α-Fe2O3能吸附重金属离子，TiO2能光催化氧化或还原重金属离子，利用双功能光催化剂处理水中的重金属离子的研究目前还较少。
(4)本发明制备的具有分级结构的α-Fe2O3/TiO2中空球表面的TiO2能有效减少分级中空球的团聚，使分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂能在水中较好的分散，吸附效率高、光催化性能好，回收利用率高，通过外加磁场可对双功能光催化剂全部回收，且再利用的吸附和光催化性能仍在90％以上，该分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂在水处理、海洋环境保护、海水污染控制等领域具有潜在的应用价值。
(5)本发明利用简单的水热反应制备α-Fe2O3/TiO2工艺过程简单，仪器设备廉价，在160-180℃进行反应条件温和，处理水中的重金属离子时利用外加磁场对其进行回收整个过程安全无污染，具有较好的可行性。
附图说明
图1为实施例5中得到的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的扫描电镜照片。
图2为实施例5中得到的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的XRD谱图。
图3为实施例5中得到的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的EDX谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)CuO的制备：将2mmol的Cu(CH3COO)2·H2O和1mmol的聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量58000)溶解到25ml的二甲基甲酰胺中(DMF)，将30mg的NaBH4加入到上述溶液中，搅拌至完全溶解后，将混合物加热到80℃并在水浴中保持15min，反应完毕所得固体用乙醇洗涤3次，得到Cu2O纳米球，将其在60℃下干燥，然后转移到马弗炉中在300℃下保持30min，以得到CuO单分散纳米球0.153g；
(2)羟基氧化铁的制备：将上述制备的50mg的CuO纳米球加入到70mL去离子水中，超声分散10分钟，然后，向上述溶液中加入50mgFeCl2，将混合溶液在聚四氟高压反应釜中170℃保持1h，冷却至室温后，沉淀用氨水(质量浓度为25-28％)和去离子水(v/v＝1/1)的混合液洗涤3次，去离子水和乙醇洗涤，再经80℃干燥12h即得到羟基氧化铁粉末0.035g；(说明，为了下一部反应，这步需要重复制备以积累样品，但也可以多倍量制得)
(3)分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的制备：将1mmol钛酸丁酯(在室温下溶解在100mL无水乙醇(或蒸馏水)中(达到使钛源和羟基氧化铁均匀分散的目的即可)；按比例(摩尔比α-Fe2O3：TiO2＝2.5)将5mmol的FeOOH粉体加入到溶解好的钛前驱体的溶液中，超声分散5min，将上述混合液转移到反应釜中，在聚四氟高压反应釜中180℃保持12h，冷却至室温后，沉淀用乙醇或蒸馏水洗涤，再经80℃干燥12h即得到分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂；
(4)铜离子溶液的配制：称取的氯化铜配制成浓度为0.05M的溶液备用；
(5)分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂去除废水中铜离子的方法：取50mg步骤(3)得到的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂加入到50mL初始浓度C0为0.05M的氯化铜溶液中，用盐酸调节体系的pH＝6，在25℃水浴中搅拌使α-Fe2O3/TiO2复合物均匀分散在溶液中，然后在150W高压卤素灯下距离光源15cm光照1小时，同时反应过程中伴随搅拌，最后，用注射器过滤掉粉末取滤液，利用原子吸收分光光度计测滤液中铜离子的浓度C1，计算分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂对铜离子的去除率为η＝(C0-C1)/C0*100％＝95％。
实施例2
(1)CuO的制备：将2mmol的Cu(CH3COO)2·H2O和0.5mol的聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量58000)溶解到25ml的二甲基甲酰胺中(DMF)，将30mg的NaBH4加入到上述溶液中，搅拌至完全溶解后，将混合物加热到80℃并在水浴中保持15min，产品用乙醇洗涤3次，得到Cu2O纳米球，将其在60℃下干燥，然后转移到马弗炉中在300℃下保持30min，以得到CuO单分散纳米球0.155g；
(2)羟基氧化铁的制备：将上述制备的50mg的CuO纳米球采用超声降解法分散到70mL去离子水中，然后，向上述溶液中加入50mgFeCl2，将混合溶液在聚四氟高压反应釜中170℃保持1h，冷却至室温后，沉淀用氨水(质量浓度为25-28％)和去离子水(v/v＝1/1)的混合液洗涤3次，去离子水和乙醇洗涤，再经80℃干燥12h即得到羟基氧化铁粉末0.035g；
(3)分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的制备：将1mmol硫酸氧钛在室温下溶解在160mL无水乙醇(或蒸馏水)中；按比例(摩尔比：α-Fe2O3：TiO2＝2.5)将5mmol的FeOOH粉体加入到溶解好的钛前驱体的溶液中，超声分散5min，将上述混合液转移到反应釜中，在聚四氟高压反应釜中180℃保持12h，冷却至室温后，沉淀用乙醇或蒸馏水洗涤，再经80℃干燥24h即得到分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂；
(4)铜离子溶液的配制：称取的氯化铜配制成浓度为0.05M的溶液备用；
(5)分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂去除废水中铜离子的方法：取50mg步骤(3)得到的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂加入到50mL初始浓度C0为0.05M的氯化铜溶液中，用盐酸调节体系的pH＝4，在25℃水浴中搅拌使分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂均匀分散在溶液中，然后在150W高压卤素灯下距离光源15cm光照1小时，同时反应过程中伴随搅拌，最后，用注射器过滤掉粉末取滤液，利用原子吸收分光光度计测滤液中铜离子的浓度C1，计算分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂对铜离子的去除率为η＝(C0-C1)/C0*100％＝90.5％。
实施例3
(1)CuO的制备：将2mmol的Cu(CH3COO)2·H2O和2mmol的聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量58000)溶解到25ml的二甲基甲酰胺中(DMF)，将30mg的NaBH4加入到上述溶液中，搅拌至完全溶解后，将混合物加热到80℃并在水浴中保持15min，产品用乙醇洗涤3次，得到Cu2O纳米球，将其在60℃下干燥，然后转移到马弗炉中在300℃下保持30min，以得到CuO单分散纳米球0.155g；
(2)羟基氧化铁的制备：将上述制备的50mg的CuO纳米球采用超声降解法分散到70mL去离子水中，然后，向上述溶液中加入50mgFeCl2，将混合溶液在聚四氟高压反应釜中170℃保持1h，冷却至室温后，沉淀用氨水(质量浓度为25-28％)和去离子水(v/v＝1/1)的混合液洗涤3次，去离子水和乙醇洗涤，再经80℃干燥12h即得到羟基氧化铁粉末0.035g；
(3)分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的制备：将1mmol钛酸丁酯在室温下溶解在100mL无水乙醇(或蒸馏水)中；按比例(摩尔比：α-Fe2O3：TiO2＝5)将10mmol的FeOOH粉体加入到溶解好的钛前驱体的溶液中，超声分散5min，将上述混合液转移到反应釜中，在聚四氟高压反应釜中160℃保持24h，冷却至室温后，沉淀用乙醇或蒸馏水洗涤，再经100℃干燥12h即得到分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂；
(4)铅离子溶液的配制：称取的硝酸铅配制成浓度为0.005M的溶液备用；
(5)分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂去除废水中铅离子的方法：取50mg步骤(3)得到的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂加入到50mL初始浓度C0为0.005M的硝酸铅溶液中，用盐酸调节体系的pH＝7，在30℃水浴中搅拌使分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂均匀分散在溶液中，然后在150W高压卤素灯下距离光源15cm光照1小时，同时反应过程中伴随搅拌，最后，用注射器过滤掉粉末取滤液，利用原子吸收分光光度计测滤液中铅离子的浓度C1，计算分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂对铅离子的去除率为η＝(C0-C1)/C0*100％＝100％。
实施例4
(1)CuO的制备：将2mmol的Cu(CH3COO)2·H2O和1mmol的聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量58000)溶解到25ml的二甲基甲酰胺中(DMF)，将30mg的NaBH4加入到上述溶液中，搅拌至完全溶解后，将混合物加热到80℃并在水浴中保持15min，产品用乙醇洗涤3次，得到Cu2O纳米球，将其在60℃下干燥，然后转移到马弗炉中在300℃下保持30min，以得到CuO单分散纳米球0.149g；
(2)羟基氧化铁的制备：将上述制备的50mg的CuO纳米球采用超声降解法分散到70mL去离子水中，然后，向上述溶液中加入50mgFeCl2，将混合溶液在聚四氟高压反应釜中170℃保持1h，冷却至室温后，沉淀用氨水(质量浓度为25-28％)和去离子水(v/v＝1/1)的混合液洗涤3次，去离子水和乙醇洗涤，再经80℃干燥12h即得到羟基氧化铁粉末0.035g；
(3)分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的制备：将1mmol四氯化钛在室温下溶解在100mL无水乙醇(或蒸馏水)中；按比例(摩尔比：α-Fe2O3：TiO2＝5)将10mmol的FeOOH粉体加入到溶解好的钛前驱体的溶液中，超声分散5min，将上述混合液转移到反应釜中，在聚四氟高压反应釜中160℃保持24h，冷却至室温后，沉淀用乙醇或蒸馏水洗涤，再经100℃干燥12h即得到分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂；
(4)锌离子溶液的配制：称取的硝酸锌配制成浓度为0.001M的溶液备用；
(5)分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂去除废水中锌离子的方法：取50mg步骤(3)得到的分级α-Fe2O3/TiO2中空球光催化剂加入到50mL初始浓度C0为0.001M的硝酸锌溶液中，用盐酸调节体系的pH＝5，在30℃水浴中搅拌使分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂均匀分散在溶液中，然后在150W高压卤素灯下距离光源15cm光照1小时，同时反应过程中伴随搅拌，最后，用注射器过滤掉粉末取滤液，利用原子吸收分光光度计测滤液中锌离子的浓度C1，计算分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂对锌离子的去除率为η＝(C0-C1)/C0*100％＝95％。
实施例5
(1)CuO的制备：将2mmol的Cu(CH3COO)2·H2O和0.5mmol的聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量58000)溶解到25ml的二甲基甲酰胺中(DMF)，将30mg的NaBH4加入到上述溶液中，搅拌至完全溶解后，将混合物加热到80℃并在水浴中保持15min，产品用乙醇洗涤3次，得到Cu2O纳米球，将其在60℃下干燥，然后转移到马弗炉中在300℃下保持30min，以得到CuO单分散纳米球0.158g；
(2)羟基氧化铁的制备：将上述制备的50mg的CuO纳米球采用超声降解法分散到70mL去离子水中，然后，向上述溶液中加入50mgFeCl2，将混合溶液在聚四氟高压反应釜中170℃保持1h，冷却至室温后，沉淀用氨水(质量浓度为25-28％)和去离子水(v/v＝1/1)的混合液洗涤3次，去离子水和乙醇洗涤，再经80℃干燥12h即得到羟基氧化铁粉末0.035g；
(3)分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的制备：将1mmol四氯化钛在室温下溶解在100mL无水乙醇(或蒸馏水)中；按比例(摩尔比：α-Fe2O3：TiO2＝4)将8mmol的FeOOH粉体加入到溶解好的钛前驱体的溶液中，超声分散5min，将上述混合液转移到反应釜中，在聚四氟高压反应釜中160℃保持24h，冷却至室温后，沉淀用乙醇或蒸馏水洗涤，再经100℃干燥12h即得到分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂；
(4)镉离子溶液的配制：称取的氯化镉配制成浓度为0.01M的溶液备用；
(5)α-Fe2O3/TiO2复合物去除废水中镉离子的方法：取50mg步骤(3)得到的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂加入到50mL初始浓度C0为0.01M的氯化镉溶液中，用盐酸调节体系的pH＝2，在25℃水浴中搅拌使分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂均匀分散在溶液中，然后在150W高压卤素灯下距离光源15cm光照1小时，同时反应过程中伴随搅拌，最后，用注射器过滤掉粉末取滤液，利用原子吸收分光光度计测滤液中镉离子的浓度C1，计算分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂对镉离子的去除率为η＝(C0-C1)/C0*100％＝91％。
由图1可知，由低分辨扫描电镜可以看出所制备的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂很容易团聚，有个别破裂的α-Fe2O3/TiO2可以看出所得到α-Fe2O3/TiO2为中空结构，由插入的高分辨扫描电镜可以看出α-Fe2O3/TiO2由小的α-Fe2O3/TiO2纳米片组装成α-Fe2O3/TiO2中空球的球壳，中空球的直径约为500nm左右。
由图2可知，所制备的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的XRD谱图与锐钛矿TiO2的标准卡片JCPDSNo.21-1272和α-Fe2O3的标准卡片JCPDSNo.33-0664完全一致，说明所制备的物质为纯的α-Fe2O3/TiO2复合物，没有其他杂质生成。
由图3可知，所制备的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的EDX谱图中，EDX所测元素的摩尔比Fe：Ti＝8，则摩尔比：α-Fe2O3：TiO2＝4。
实施例6
(1)CuO的制备：将2mmol的Cu(CH3COO)2·H2O和1mmol的聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量58000)溶解到25ml的二甲基甲酰胺中(DMF)，将30mg的NaBH4加入到上述溶液中，搅拌至完全溶解后，将混合物加热到80℃并在水浴中保持15min，产品用乙醇洗涤3次，得到Cu2O纳米球，将其在60℃下干燥，然后转移到马弗炉中在300℃下保持30min，以得到CuO单分散纳米球0.158g；
(2)羟基氧化铁的制备：将上述制备的50mg的CuO纳米球采用超声降解法分散到70mL去离子水中，然后，向上述溶液中加入50mgFeCl2，将混合溶液在聚四氟高压反应釜中170℃保持1h，冷却至室温后，沉淀用氨水(质量浓度为25-28％)和去离子水(v/v＝1/1)的混合液洗涤3次，去离子水和乙醇洗涤，再经80℃干燥12h即得到羟基氧化铁粉末0.035g；
(3)分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的制备：将1mmol三氯化钛在室温下溶解在100mL无水乙醇(或蒸馏水)中；按比例(摩尔比：α-Fe2O3：TiO2＝3)将6mmol的FeOOH粉体加入到溶解好的钛前驱体的溶液中，超声分散5min，将上述混合液转移到反应釜中，在聚四氟高压反应釜中160℃保持24h，冷却至室温后，沉淀用乙醇或蒸馏水洗涤，再经100℃干燥12h即得到分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂；
(4)镉离子溶液的配制：称取的氯化镉配制成浓度为0.01M的溶液备用；
(5)分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂去除废水中镉离子的方法：取50mg步骤(3)得到的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂加入到50mL初始浓度C0为0.01M的氯化镉溶液中，用盐酸调节体系的pH＝2，在40℃水浴中搅拌使分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂均匀分散在溶液中，然后在150W高压卤素灯下距离光源15cm光照1小时，同时反应过程中伴随搅拌，最后，用注射器过滤掉粉末取滤液，利用原子吸收分光光度计测滤液中镉离子的浓度C1，计算分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂对镉离子的去除率为η＝(C0-C1)/C0*100％＝90％。
实施例7
选取实施例3中第(5)步中经过高压卤素灯照射过之后的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂，将其在盐酸溶液中加热脱附铅后，重复实施例3中的第(5)步，最后得到滤液经原子吸收分光光度计测滤液中的铅离子浓度C1，计算分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂对铅离子的去除率为η＝(C0-C1)/C0*100％＝98％。
实施例8
选取实施例7中第(5)步中经过高压卤素灯照射过之后的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂，将其在盐酸溶液中加热脱附铅后，重复实施例3中的第(5)步，最后得到滤液经原子吸收分光光度计测滤液中的铅离子，计算分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂对铅离子的去除率为η＝(C0-C1)/C0*100％＝96％。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (6)
1.一种分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂，其特征为该光催化剂为用以下方法制得，包括下述步骤：
将钛源在室温下加入到溶剂中溶解，得到钛前驱体溶液；再加入FeOOH粉体，超声分散5min，将上述混合液转移到反应釜中，在聚四氟高压反应釜中160-180oC保持6-24h，冷却至室温后，沉淀用乙醇或蒸馏水洗涤，再经80-100oC干燥12-24h，即得到分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂；其中，摩尔比钛源：FeOOH=1:5-10；
所述的钛源为钛酸丁酯、三氯化钛、四氯化钛、异丙醇钛或硫酸氧钛；
所述的溶剂为无水乙醇或蒸馏水；
所述的FeOOH粉体的制备方法，包括以下步骤：
（1）CuO的制备：将Cu(CH3COO)2·H2O和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）加入到二甲基甲酰胺中（DMF），再将NaBH4加入到上述溶液中，搅拌至溶解后，将混合物加热到80oC并在水浴中保持15min，产物用乙醇洗涤，得到Cu2O纳米球，将其在60oC下干燥，然后转移到马弗炉中在300oC下保持30min，以得到CuO单分散纳米球；其中物料配比为：每25mL的二甲基甲酰胺中加2mmol的Cu(CH3COO)2·H2O，0.5-2mmol的聚乙烯吡咯烷酮和30mg的NaBH4；
（2）FeOOH的制备：将上述制备的CuO单分散纳米球加入到去离子水中，超声波分散5-10min，再加入FeCl2，然后将混合溶液在聚四氟高压反应釜中170oC保持1h，冷却至室温后，沉淀用氨水和去离子水的混合液洗涤，再分别用去离子水和乙醇洗涤，再经80oC干燥12h即得到FeOOH粉体；其物料配比为：质量比CuO纳米球：FeCl2=1：1，每70mL去离子水加50mg的CuO纳米球。
2.如权利要求1所述的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂，其特征为所述的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的分子量为30000-100000。
3.如权利要求1所述的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂，其特征为所述的步骤（2）中的混合液中的组成为体积比氨水：去离子水=1:1。
4.如权利要求1所述的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的应用方法，其特征为用于去除水中重金属离子，包括如下步骤：
（1）称取含有重金属无机盐的溶液，其中，溶液中重金属离子的浓度为0.001-0.05M；
（2）将分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂加入到含重金属离子的水溶液中，加入量为1mg催化剂/mL重金属离子溶液，于室温~40oC水浴中加热搅拌，同时在150W高压卤素灯下距离光源10~20cm光照反应0.5~2h，通过盐酸或氢氧化钠溶液调pH值为2-7，反应完毕。
5.如权利要求4所述的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的应用方法，其特征为所述的步骤（1）中重金属无机盐具体为可溶性铜盐、可溶性锌盐、可溶性铅盐和可溶性镉盐中的一种盐溶液或多种混合盐溶液。
6.如权利要求4所述的分级α-Fe2O3/TiO2中空球双功能光催化剂的应用方法，其特征为所述的步骤（1）中可溶性铜盐为氯化铜、硝酸铜或硫酸铜；可溶性锌盐为氯化锌或硝酸锌；可溶性铅盐为硝酸铅；可溶性镉盐为氯化镉。
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