CN104707616A - 一种非金属元素掺杂MxFe3-xO4@TiO2磁性复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非金属元素掺杂MxFe3-xO4TiO2磁性复合材料的制备方法，通过使用双腔聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜高温高压合成目标复合材料，首先以水溶性金属M2+盐，Fe3+盐、钛盐和无机非金属盐为原料，将M2+盐、Fe3+盐和表面活性剂搅拌溶解在乙醇溶液中，在碱性条件下溶剂热法合成磁性MxFe3-xO4纳米颗粒。随后将MxFe3-xO4纳米颗粒、非金属盐以及钛盐于乙醇溶剂中超声分散混合均匀，采用高温高压蒸汽热法反应8～15小时后，分离，清洗，干燥，研磨得到目标产物。该复合材料中非金属元素掺杂可以拓宽TiO2光效应波长响应范围，MxFe3-xO4可以有效降低TiO2禁带宽度，同时磁属性可实现催化材料的高效回收再生循环利用。整个制备工艺流程简单，具有安全、高效、低廉及绿色环保等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种MxFe3-xO4TiO2磁性复合材料的制备方法，具体地说是涉及一种非金属元素掺杂MxFe3-xO4TiO2磁性复合材料的制备方法，属于光催化材料制备技术领域。
背景技术
随着社会经济的快速发展，环境污染问题越来越成为社会关注的焦点，其中有机废水对水域环境的污染尤为突出。通过开发具有吸附和光催化性能的产品处理有机染料是解决此类环境污染问题的有效方法。
纳米半导体材料，例如锐钛矿相TiO2作为一种重要的光催化材料，广泛应用于染料等有机污染物治理领域，是目前最具应用前景的催化材料之一。然而由于锐钛矿相TiO2光催化剂带隙宽度为3.2eV，致使其只能吸收波长小于387nm的紫外光能量，太阳光利用率低。与此同时，光激发产生的电子(e-)和空穴(h+)的复合，导致光量子效率同样很低。当前主要从两方面进行改性：一是降低TiO2的禁带宽度，扩大光谱响应范围；二是加入俘获剂阻止电子-空穴的复合，提高电子效率。其中对TiO2进行非金属元素掺杂改性是一个研究热点，主要的掺杂元素有C、N、S、B以及卤素等。常见的方法有离子注入法、化学蒸发沉积法、溶胶-凝胶法等。例如Diwald等(J.Phys.Chem.B.2004,108,6004-6008.)通过在氨气氛围中高温煅烧处理锐钛矿TiO2(110)单晶，制备出氮掺杂的TiO2，吸收光谱表明氮进入TiO2晶格，有效改变了晶体的能带结构。非金属掺杂TiO2虽然提高了材料的光催化性能，但是这些材料在催化反应结束后难以实现从水体中高效分离，将易分离材料作为基底与TiO2形成复合材料是一种研究突破。
纳米磁性粒子具有良好的磁分离回收特性，将其作为TiO2的载体，可以利用其优点来解决水体中纳米TiO2微粒难以分离回收的难题。例如付乌有等(Acta Materiae Compositae Sinica,2007,3(24),136-140.)采用溶胶-凝胶法在纳米MnFe2O4表面包覆锐钛矿型TiO2纳米层制备锐钛矿型TiO2MnFe2O4复合材料。黄英等(Materials Science&Technology,2009,17(5):691-695.)先使用共沉淀法制备出CoFe2O4纳米颗粒，加入钛酸正丁酯恒温水浴，经高温煅烧制得目标产物。
为了进一步提升TiO2/磁性复合材料的性能，已有对其进行非金属掺杂改性的工作报道。例如许士洪等(Chemical Journal of Chinses Universities,2008,9(6),1205-1210)先用回流冷凝法制备出NiFe2O4颗粒，再用化学沉积法在表面负载SiO2进行包覆，然后将该纳米粒子与改性的TiO2-x-Nx通过机械混合均匀后高温煅烧制得目标产物。此方法流程长且将磁性纳米颗粒和TiO2-x-Nx通过机械混合干燥后煅烧，材料稳定性和循环再生性不足。林晓霞等(Journal ofInorganic Materials,2013,28(9),997-1002.)通过溶胶-凝胶法制备F掺杂纳米TiO2，将其负载到含有Fe3O4溶胶的磁性活性碳上，通过超声分散、旋转蒸发、烘干后即制得磁性活性碳负载F掺杂纳米二氧化钛的光催化剂。该光催化剂经过多次循环后性能部分降低，可能是由于F-TiO2脱落的缘故。
这些已报道的制备方法通常步骤繁多，制备的材料需在特定气氛中进行高温煅烧处理，复合材料的稳定性不强，存在再生能力不足等缺陷。因此一种工艺简单，成本低廉的制备非金属元素掺杂MxFe3-xO4TiO2磁性复合材料的简单方法亟待发掘。
发明内容
本发明旨在提供一种非金属元素掺杂MxFe3-xO4TiO2磁性复合材料的制备方法，所要解决的技术问题是通过单一设备实现非金属元素掺杂TiO2并与双金属化合物复合，缩短合成路线，提高复合材料的催化性能以及高效回收循环利用的性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
本发明非金属元素掺杂MxFe3-xO4TiO2磁性复合材料的制备方法，其特点在于按如下步骤进行：
(1)将8～12mmol水溶性金属M2+盐与16～24mmol Fe3+盐按摩尔比1:2加入到溶有1～5g表面活性剂的80～100mL乙醇中，搅拌均匀，用碱液调节pH>10后再搅拌1～5小时，获得混合溶液；将混合溶液加入到双腔聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在180～220℃溶剂热反应20～30小时，冷却至室温，将反应物磁分离并用乙醇清洗，获得磁性MxFe3-xO4纳米颗粒；
(2)将0.3～0.7mmol所述磁性MxFe3-xO4纳米颗粒与溶有0.03～0.07mmol无机非金属盐的30～40mL乙醇溶液混合并超声10～15小时，然后滴加溶有0.3～3.5mmol钛盐的10～20mL乙醇溶液，继续超声分散1～2小时，获得悬浊液；将所述悬浊液加入到双腔聚四氟乙烯内衬的一个腔内，并在双腔聚四氟乙烯内衬的另一个腔内加入50mL去离子水，然后将双腔聚四氟乙烯内衬置于不锈钢反应釜中加热至150～200℃，使高压水蒸汽与悬浊液内钛盐反应8～15小时，反应结束后磁分离腔内固体物质，并用乙醇清洗、烘干、研磨，即得非金属元素掺杂MxFe3-xO4TiO2磁性复合材料。
上述制备方法的特点也在于：
所述水溶性金属M2+盐为过渡金属Zn、Cu、Mn或Co的可溶性二价盐。所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或聚乙二醇。所述碱液为NaOH溶液、KOH溶液、NH4HCO3溶液或氨水中的至少一种；所述钛盐为硫酸氧钛、硫酸钛、钛酸正丁酯、四氯化钛中的至少一种。所述无机非金属盐为尿素、硫脲、硫代硫酸钠和氟化铵中的至少一种。
上述的双腔聚四氟乙烯内衬中的反应过程是指在聚四氟乙烯内衬中内置一隔离板将其分为两个腔室，在高温高压下一个腔室内的去离子水形成水蒸气越过隔离板与另一个腔室内含有磁性MxFe3-xO4纳米颗粒、无机非金属盐及钛盐的乙醇溶液缓慢反应，从而生成非金属元素掺杂MxFe3-xO4TiO2磁性复合材料。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明具有工艺简单，成本低廉，合成路线短等特征，在单设备中一步实现了在MxFe3-xO4磁性颗粒表面负载TiO2并同时实现非金属元素掺杂。其中尖晶石铁氧体材料有利于降低TiO2禁带宽度，提高电子传输速率；非金属元素掺杂有利于拓宽材料光响应范围，使其具有优异的光催化活性；磁性材料与非磁性TiO2复合，显著提高了催化剂的回收利用率。
附图说明
图1为实施例1制备的N掺杂ZnxFe3-xO4TiO2复合材料的SEM照片。
图2为实施例1制备的N掺杂ZnxFe3-xO4TiO2复合材料的EDS元素面扫描图，从图2中可以看出N元素均匀的掺杂到复合材料中。
图3为实施例1制备的N掺杂ZnxFe3-xO4TiO2复合材料的XRD照片，从图3中可以看出产物具有较高的纯度，TiO2为锐钛矿型(Anatase)，N元素掺杂并不影响晶型。
图4为实施例1制备的N掺杂ZnxFe3-xO4TiO2复合材料的N元素XPS数据。
具体实施方式
本发明内容通过以下的实施例和附图进行详细说明，但不限制本发明的范围。
本发明提供了在单设备中一步实现在MxFe3-xO4磁性颗粒表面负载TiO2并同时实现非金属元素掺杂的制备方法，其工艺简单，成本低廉，合成路线短。
实施例1：
(1)称取10mmol Zn(CH3COO)2·2H2O(AR)和20mmol Fe(NO3)3·9H2O(AR)溶于100mL溶有2.5g聚乙烯吡咯烷酮的乙醇(AR)溶液中，磁力搅拌混合均匀，缓慢加入溶有0.5mol NaOH的30mL水溶液，调节pH，搅拌1h混合均匀，获得混合溶液；将混合溶液盛入双腔聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中于180℃高压密封反应20小时后自然冷却至室温；将反应物磁分离并用乙醇清洗多次至中性，得到磁性ZnxFe3-xO4纳米颗粒。
(2)称取0.5mmol磁性ZnxFe3-xO4纳米颗粒分散于溶有0.05mmol尿素的40mL乙醇中，超声处理10小时；缓慢向浊液中滴加溶有0.5mmol钛酸正丁酯(AR)的10mL乙醇溶液，继续超声分散1小时得到悬浊液；随后将该悬浊液盛入内置隔离板的双腔聚四氟乙烯内衬的一个腔内，并在另一腔内加入50mL去离子水，将双腔聚四氟乙烯内衬置于不锈钢反应釜中于160℃下，水蒸汽与悬浊液内钛盐反应10小时，反应结束后磁分离并用乙醇清洗多次后于80℃下烘干8小时，充分研磨制得N掺杂ZnxFe3-xO4TiO2磁性复合材料。
图1为本实施例制备的N掺杂ZnxFe3-xO4TiO2磁性复合材料的SEM照片。
图2为本实施例制备的N掺杂ZnxFe3-xO4TiO2磁性复合材料的EDS元素面扫描图，从中可以看出N元素均匀的掺杂到复合材料中。
图3为本实施例制备的N掺杂ZnxFe3-xO4TiO2磁性复合材料的XRD照片，从中可以看出本实施例产物具有较高的纯度，TiO2为锐钛矿型(Anatase)，N元素掺杂并不影响晶型。
图4为本实施例制备的N掺杂ZnxFe3-xO4TiO2复合材料的N元素XPS数据。
(3)为测试本实施例所得产物的催化性能，以500W直管型高压汞灯为光源，称取0.04g复合材料作为催化剂，光照催化氧化降解常见的有机污染物罗丹明B。经过3小时光照催化氧化，100mL 5mg/L的罗丹明B染料去除率为100％。
实施例2：
本实施例与实施例1的制备方法相同，区别仅在于：在合成磁性ZnxFe3-xO4纳米颗粒时所用表面活性剂为2.5g聚乙烯醇，所用碱液为氨水/NH4HCO3水溶液，所用钛盐为四氯化钛，步骤(2)是在不锈钢反应釜中200℃反应10小时，制得目标产物。
按实施例1相同的方式对本实施例所得复合材料进行光照催化氧化性能检测，可得其对罗丹明B的去除率为98％。
实施例3：
本实施例与实施例1的制备方法相同，区别仅在于：水溶性金属M2+盐选用Co(CH3COO)2·4H2O(AR)，将其和Fe(NO3)3·9H2O(AR)溶于乙醇中磁力搅拌混合均匀，制备出磁性CoxFe3-xO4纳米颗粒，最后制得N元素掺杂CoxFe3-xO4TiO2磁性复合材料。
按实施例1相同的方式对本实施例所得复合材料进行光照催化氧化性能检测，可得其对罗丹明B的去除率为99％。
实施例4：
本实施例与实施例3的制备方法相同，区别仅在于：在合成磁性CoxFe3-xO4纳米颗粒时所用表面活性剂为2.5g聚乙二醇，所用碱液为氨水/NH4HCO3水溶液，所用钛盐为四氯化钛，步骤(2)是在不锈钢反应釜中180℃反应15小时。
按实施例1相同的方式对本实施例所得复合材料进行光照催化氧化性能检测，可得其对罗丹明B的去除率为96％。
实施例5：
本实施例与实施例1的制备方法相同，区别仅在于：水溶性金属M2+盐选用Cu(CH3COO)2·H2O(AR)，将其和Fe(NO3)3·9H2O(AR)溶于乙醇中磁力搅拌混合均匀，制备出磁性CuxFe3-xO4纳米颗粒，最后制得N元素掺杂CuxFe3-xO4TiO2磁性复合材料。
按实施例1相同的方式对本实施例所得复合材料进行光照催化氧化性能检测，可得其对罗丹明B的去除率为100％。
实施例6：
本实施例与实施例5的制备方法相同，区别仅在于：在合成磁性CuxFe3-xO4纳米颗粒时所用表面活性剂为2.5g聚乙烯醇，所用碱液为氨水/NH4HCO3水溶液，所用钛盐为硫酸钛，步骤(2)是在不锈钢反应釜中180℃反应10小时。
按实施例1相同的方式对本实施例所得复合材料进行光照催化氧化性能检测，可得其对罗丹明B的去除率为95％。
实施例7：
本实施例与实施例1的制备方法相同，区别仅在于：所用无机非金属盐为硫脲，由硫脲提供N和S元素作为掺杂元素。
按实施例1相同的方式对本实施例所得复合材料进行光照催化氧化性能检测，可得其对罗丹明B的去除率为95％。
实施例8：
本实施例与实施例3的制备方法相同，区别仅在于：所用无机非金属盐为硫代硫酸钠，由硫代硫酸钠提供S元素作为掺杂元素。
按实施例1相同的方式对本实施例所得复合材料进行光照催化氧化性能检测，可得其对罗丹明B的去除率为93％。
实施例9：
本实施例与实施例5的制备方法相同，区别仅在于：所用无机非金属盐为氟化铵，由氟化铵提供F元素作为掺杂元素。
按实施例1相同的方式对本实施例所得复合材料进行光照催化氧化性能检测，可得其对罗丹明B的去除率为95％。
Claims (6)
1.一种非金属元素掺杂MxFe3-xO4TiO2磁性复合材料的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：
(1)将8～12mmol水溶性金属M2+盐与16～24mmol Fe3+盐按摩尔比1:2加入到溶有1～5g表面活性剂的80～100mL乙醇中，搅拌均匀，用碱液调节pH>10后再搅拌1～5小时，获得混合溶液；将混合溶液加入到双腔聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在180～220℃溶剂热反应20～30小时，冷却至室温，将反应物磁分离并用乙醇清洗，获得磁性MxFe3-xO4纳米颗粒；
(2)将0.3～0.7mmol所述磁性MxFe3-xO4纳米颗粒与溶有0.03～0.07mmol无机非金属盐的30～40mL乙醇溶液混合并超声10～15小时，然后滴加溶有0.3～3.5mmol钛盐的10～20mL乙醇溶液，继续超声分散1～2小时，获得悬浊液；将所述悬浊液加入到双腔聚四氟乙烯内衬的一个腔内，并在双腔聚四氟乙烯内衬的另一个腔内加入50mL去离子水，然后将双腔聚四氟乙烯内衬置于不锈钢反应釜中加热至150～200℃，使高压水蒸汽与悬浊液内钛盐反应8～15小时，反应结束后磁分离腔内固体物质，并用乙醇清洗、烘干、研磨，即得非金属元素掺杂MxFe3-xO4TiO2磁性复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述水溶性金属M2+盐为过渡金属Zn、Cu、Mn或Co的可溶性二价盐。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或聚乙二醇。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碱液为NaOH溶液、KOH溶液、NH4HCO3溶液或氨水中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述钛盐为硫酸氧钛、硫酸钛、钛酸正丁酯、四氯化钛中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述无机非金属盐为尿素、硫脲、硫代硫酸钠和氟化铵中的至少一种。
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