CN105056959A - 一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料及其制备方法和应用，该光催化材料的为化学式为In2CuFe2O7，采用高温固相或化学溶液法制备得到，制备方法简单，能耗低，成本低，且制备的材料颗粒度分布均匀、化学稳定性好，能够在可见光辐射下高效地降解有机污染物，是一种理想的光催化材料，可用于治理环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料及其制备方法和应用，属于无机光催化材料领域。
背景技术
目前，随着全球工业的发展进步，环境的污染问题越发严重，环境问题已成为人类生存和社会可持续发展所面临的最大挑战。随着人们生活水平的提高，对生活环境以及生活质量提出了更高的要求。近年来，人们已明显意识到水污染带来的严重危害，其中染料废水污染问题尤为突出，已成为主要的水体污染源之一。光催化技术自20世纪80年代后期应用于环境污染控制领域以来，由于该技术可以有效降解许多结构稳定的有机污染物，已成为国内外重视的污染治理技术之一。光催化降解有毒有机污染物和自洁净表面技术，将便捷的为我们提供一个绿色环保的生活空间，因此光催化技术将成为应对挑战的重要手段之一。
在众多治理环境污染的材料中，二氧化钛（TiO2）为代表的半导体光催化材料以其独特的光降解性能成为理想的清洁材料。自1972年Fujishima等人报道了TiO2光催化及其机理，奠定了光催化材料研究与应用的基础。但是众所周知，TiO2的较宽的禁带宽度（3.0-3.2eV）决定了其只能利用太阳光中的紫外线部分，致使在可见光辐照下的光催化性能及其低微。解决这个难题的主要方法有：（1）对TiO2进行改性，通过掺杂的方法来降低其禁带宽度，使其特征光吸收红移至可见光区（2）发展了新型的光催化材料，以期望在可见光照射下就能将有机污染物高效降解。
中国专利CN201410002976报道了可见光响应的光催化剂NaInO2及其制备方法，同时中国专利CN201410576262报道了可见光响应的光催化剂In6CuTi5O20及其制备方法。在这些报道的基础上，含In多元金属化合物将为新型可见光响应光催化剂的开发奠定基础，对于光催化材料的发展又是一个新的领域。同时，在这些报道的基础上，我们研究了一种新型的光催化剂In2CuFe2O7，发现该类化合物具有优异的可见光响应的光催化性能，而且目前尚无报道。
发明内容
针对上述现存的技术问题，本发明提供一种制备工艺简单，制备方法简单、光催化效率高、应用前景广阔的铁酸铟铜光催化剂及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供一种可见光响应的钛酸铁钠光催化材料，化学式为In2CuFe2O7，颗粒尺寸分布均匀。
本发明又提供一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料的制备方法，采用高温固相法，其特征在于，包括如下具体步骤：
（1）以含铟离子In3+的化合物、含铜离子Cu2+的化合物、含铁离子Fe3+的化合物为原料，按化学式In2CuFe2O7中对应元素的化学计量比称取各原料，研磨并混合均匀；
（2）将步骤（1）得到的混合物在空气气氛下预煅烧，预煅烧温度为300～700℃，煅烧时间为3～16小时，自然冷却后，研磨使其混合均匀；
（3）将步骤（2）得到的混合物在空气气氛中煅烧，煅烧温度为700～1050℃，煅烧时间为4～16小时，自然冷却，研磨均匀后即得到一种新型铁酸铟铜光催化粉末材料。
进一步，所述的含铟离子In3+的化合物为氧化铟In2O3、硝酸铟In(NO3)3、氢氧化铟In(OH)3和氯化铟InCl3中的一种；所述的含有铜离子Cu2+的化合物为氧化铜CuO、硝酸铜Cu(NO3)2·3H2O、氢氧化铜Cu(OH)2和氯化铜CuCl2·2H2O中的一种；所述的含有铁离子Fe3+的化合物为氧化铁Fe2O3、氢氧化铁Fe(OH)3、硝酸铁Fe(NO3)3·9H2O和碳酸铁Fe2(CO3)3中的一种。
更进一步，步骤（2）所述的煅烧温度为450～750℃，煅烧时间为4～15小时；步骤（3）所述的煅烧温度为850～1200℃，煅烧时间为5～15小时。
本发明再提供一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料的制备方法，采用化学溶液法，其特征在于，包括如下具体步骤：
（A）按化学式In2CuFe2O7中各元素的化学计量比，首先称取含有铟离子In3+的化合物，溶于稀硝酸溶液中，加热搅拌，直至完全溶解，再加入络合剂，得到含铟溶液；其次称取含有铜离子Cu2+的化合物，溶于稀硝酸溶液中，加热搅拌，直至完全溶解，再加入络合剂，得到含铜溶液；接着，称取含有铁离子Fe3+的化合物，溶于稀硝酸溶液中，加热搅拌，直至完全溶解，得到含铁溶液，再加入络合剂；最后，将含铟、含铜、含铁溶液混合，在70-100℃下搅拌1～5小时，得到均匀混合溶液；
（B）将上述混合物溶液放置在烘箱中，温度为50℃-100℃，时间为12小时，陈化并烘干，得到前驱体；
（C）待自然冷却后，取出前驱体，在空气气氛中煅烧，煅烧温度为800～1150℃，煅烧时间为4～15小时，自然冷却后，研磨均匀即得到铁酸铟铜光催化材料In2CuFe2O7。
进一步，所述的含铟离子In3+的化合物为氧化铟In2O3、硝酸铟In(NO3)3、氢氧化铟In(OH)3和氯化铟InCl3中的一种；所述的含有铜离子Cu2+的化合物为氧化铜CuO、硝酸铜Cu(NO3)2·3H2O、氢氧化铜Cu(OH)2和氯化铜CuCl2·2H2O中的一种；所述的含有铁离子Fe3+的化合物为氧化铁Fe2O3、氢氧化铁Fe(OH)3、硝酸铁Fe(NO3)3·9H2O和碳酸铁Fe2(CO3)3中的一种。
更进一步，所述的络合剂为柠檬酸或草酸。
更进一步，步骤（C）所述的煅烧温度为850～1100℃，煅烧时间为5～14小时。
本发明再提供一种可见光响应的铁酸铟铜材料作为优良的无机光催化材料的应用，能够在可见光辐射下高效地降解有机污染物，可用于治理环境污染。
与现有技术方案相比，本发明技术方案优点在于：
（1）制备In2CuFe2O7光催化剂的原材料来源很广泛且价格低廉，制备的方法简单，能耗低，成本低；同时，制得的样品物相较纯，颗粒细小且分布均匀。
（2）制备的In2CuFe2O7光催化剂的光催化活性非常好，240分钟光催化降解亚甲基蓝的降解率可以达到98%，能够高效地光催化降解亚甲基蓝。
（3）制备In2CuFe2O7光催化剂的过程中无废气废液排放，因此In2CuFe2O7光催化剂是一种绿色安全的无机光催化材料。
附图说明
图1为本发明实施例1所制得的In2CuFe2O7样品的X射线粉末衍射图谱；
图2为本发明实施例1所制得的In2CuFe2O7样品的漫反射图谱；
图3为本发明实施例1所制得的In2CuFe2O7样品的SEM图；
图4为本发明实施例1所制得的In2CuFe2O7的样品在光照时对有机染料亚甲基蓝的降解曲线；
图5为本发明实施例1所制得的In2CuFe2O7样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图；
图6为本发明实施例5所制得的In2CuFe2O7样品的X射线粉末衍射图谱；
图7为本发明实施例5所制得的In2CuFe2O7样品的漫反射图谱；
图8为本发明实施例5所制得的In2CuFe2O7样品的SEM图；
图9为本发明实施例5所制得的In2CuFe2O7样品在光照时对有机染料亚甲基蓝的降解曲线；
图10为本发明实施例5所制得的In2CuFe2O7样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明钛酸铁钠光催化剂的化学式为In2CuFe2O7，可以采用高温固相法或化学溶液法制备，具体实施时有几点注意事项如下。
1、为了得到本发明中所使用的复合氧化物，首先使用固相合成法制备In2CuFe2O7粉末，即把原料按照目标组成化学计量比进行混合，再在常压下于空气气氛中合成。
2、为了能够有效利用光，本发明中的光催化剂In2CuFe2O7的尺寸最好在微米级别，甚至是纳米粒子，且比表面积较大。用固相合成法制备的氧化物粉末，其粒子较大而表面积较小，但是可以通过改用化学溶液法制备光催化剂使粒子直径变小。
3、In2CuFe2O7光催化降解亚甲基蓝活性评价采用自制光催化反应装置，光源灯为500瓦圆柱形形氙灯，反应槽使用硼硅酸玻璃制成的圆柱形光催化反应仪器，将光源灯插入到反应槽中，并通入冷凝水降温，反应时温度为室温。催化剂用量100毫克，溶液体积250毫升，亚甲基蓝的浓度为10毫克/升。催化剂置于反应液中，催化时间设定为240分钟，打开冷凝水后开始光照，光照后每隔一段时间取一次样，离心，取其上清液，用紫外-可见分光光度计在波长664-666纳米处测定亚甲基蓝溶液的吸光度。根据朗伯-比尔定律，溶液的吸光度与浓度成正比，因此可用吸光度代替浓度计算去除率，以此为亚甲基蓝溶液的去除率。计算公式：降解率=(1-C/C0)×100％=(1-A/A0)×100％，其中C0、C分别为光催化降解前后的浓度，A0、A分别是降解前后的吸光度值。
实施例1：
首先，根据化学式In2CuFe2O7，分别称取氧化铟In2O3：2.776克，氧化铁Fe2O3：1.597克，氧化铜CuO：0.795克，在玛瑙研钵中加入适量的丙酮混合研磨均匀后，在空气气氛中进行预煅烧，在450℃下煅烧4小时，最终随炉冷却后，取出样品；然后，将得到的预煅烧的原料再次在研钵中用相同的方法充分混合研磨均匀后，在空气气氛中再次煅烧，在850℃下煅烧5小时，冷却后研磨得到铁酸铟铜In2CuFe2O7光催化剂。
参见附图1，本实施例所制备样品的X射线粉末衍射图谱，XRD测试结果显示，In2CuFe2O7样品结晶度较好，无杂相。
参见附图2，本实施例1所制备样品的漫反射光谱，从图中可以看出，In2CuFe2O7样品在可见光区域具有较强的吸收。
参见附图3，本实施例1所制备样品的SEM（扫描电子显微镜）图谱，从图中可以看出，In2CuFe2O7样品颗粒分布均匀。
参见附图4，本实施例1所制备样品对有机染料亚甲基蓝的降解曲线，从图中可以看出，该In2CuFe2O7样品光催化降解亚甲基蓝的降解率240分钟达到50%，说明制备出的In2CuFe2O7材料具有一定的光催化活性。
参见附图5，本实施例1所制备样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图，从图中可以看出，该In2CuFe2O7样品光催化降解亚甲基蓝的表观动力学速率常数为0.00315分钟-1。
实施例2：
首先，根据化学式In2CuFe2O7，分别称取氧化铟In(OH)3：1.689克，氢氧化铁Fe(OH)3：1.069克，氢氧化铜Cu(OH)2：0.488克，在玛瑙研钵中加入适量的丙酮混合研磨均匀后，在空气气氛中进行预煅烧，在450℃下煅烧8小时，随炉冷却后，取出样品；然后将预煅烧的原料再次用相同的方法充分混合研磨均匀，在空气气氛中再次煅烧，850℃下煅烧8小时，冷却后研磨得到铁酸铟铜In2CuFe2O7催化剂。
经过观测，本实施例2所制备的In2CuFe2O7样品的主要结构形貌、漫反射光谱、SEM图谱、对亚甲基蓝的降解率和降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例1相似。
实施例3：
首先，根据化学式In2CuFe2O7，分别称取氯化铟InCl3：2.212克，碳酸铁Fe2(CO3)3：1.46克，氯化铜CuCl2·2H2O：0.852克，在玛瑙研钵中加入适量的丙酮混合研磨均匀后，在空气气氛中进行预煅烧，在650℃煅烧12小时，随炉冷却后，取出样品；然后，将预煅烧的原料再次用相同的方法充分混合研磨均匀，在空气气氛中再次煅烧，1050℃下煅烧11小时，冷却研磨得到铁酸铟铜In2CuFe2O7催化剂。
经过观测，本实施例3所制备的In2CuFe2O7样品的主要结构形貌、漫反射光谱、SEM图谱、对亚甲基蓝的降解率和降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例1相似。
实施例4：
首先，根据化学式In2CuFe2O7，分别称取硝酸铟In(NO3)3：1.003克，硝酸铁Fe(NO3)3·9H2O：1.347克，硝酸铜Cu(NO3)2·3H2O：0.403克，在玛瑙研钵中加入适量的丙酮混合研磨均匀后，在空气气氛中进行预煅烧，在750℃煅烧15小时，随炉冷却后，取出样品；然后，将预煅烧的原料再次用相同的方法充分混合研磨均匀，在空气气氛中再次煅烧，1200℃下煅烧15小时，冷却研磨得到铁酸铟铜In2CuFe2O7催化剂。
经过观测，本实施例4所制备的In2CuFe2O7样品的主要结构形貌、漫反射光谱、SEM图谱、对亚甲基蓝的降解率和降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例1相似。
实施例5：
首先，根据化学式In2CuFe2O7，分别称取氧化铟In2O3：1.388克，碳酸铁Fe2(CO3)3：1.46克，氢氧化铜Cu(OH)2：0.488克，分别加入稀硝酸溶液中直至完全溶解再加入适量的柠檬酸，磁力搅拌一段时间后分别得到含铟、含铜、含铁溶液，将三种溶液混合，继续搅拌一段时间。然后，将得到的混合溶液放置烘箱中，设定温度为80℃，烘12小时后，自然冷却，取出前驱体；最后，将前驱体在空气气氛中煅烧，煅烧温度为850℃，煅烧时间为5小时，冷却研磨即得到In2CuFe2O7催化剂。
参见附图6，本实施例5所制备样品的X射线粉末衍射图谱，XRD测试结果显示，所制备的In2CuFe2O7也为单相材料，结晶度非常好。
参见附图7，本实施例5所制备样品的漫反射光谱，从图中可以看出，该In2CuFe2O7样品在可见光区域具有很强的吸收。
参见附图8，本实施例5所制备样品的SEM（扫描电子显微镜）图谱，从图中可以看出，所得In2CuFe2O7样品颗粒分散均匀，粒度较小，其平均粒径为0.14微米。
参见附图9，本实施例5所制备样品对有机染料亚甲基蓝的降解曲线，从图中可以看出，该In2CuFe2O7样品光催化降解亚甲基蓝的降解率240分钟可以达到98%，说明制备出的In2CuFe2O7材料具有非常好的的光催化活性。
参见附图10，本实施例5所制备样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图，从图中可以看出，该In2CuFe2O7样品光催化降解亚甲基蓝的表观动力学速率常数为0.00813分钟-1。
实施例6：
首先，根据化学式In2CuFe2O7，分别称取氢氧化铟In(OH)3：1.689克，氧化铁Fe2O3：0.798克，硝酸铜Cu(NO3)2·3H2O：1.208克，分别加入稀硝酸溶液中直至完全溶解再加入适量的柠檬酸，磁力搅拌一段时间后分别得到含铟、含铜、含铁溶液，混合，继续搅拌一段时间。然后，将得到的混合溶液放置烘箱中，设定温度为80℃，烘10小时，自然冷却后，取出前驱体，再在空气气氛中煅烧，煅烧温度为950℃，煅烧时间为8小时，冷却研磨即得到铁酸铟铜In2CuFe2O7催化剂。
经过观测，本实施例6所制备的In2CuFe2O7样品的主要结构形貌、漫反射光谱、SEM图谱、对亚甲基蓝的降解率和降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例5相似。
实施例7：
首先，根据化学式In2CuFe2O7，分别称取氯化铟InCl3：0.737克，硝酸铁Fe(NO3)3·9H2O：1.347克，氧化铜CuO：0.133克，分别加入稀硝酸溶液中直至完全溶解再加入适量的柠檬酸，磁力搅拌一段时间后分别得到含铟、含铜、含铁溶液，混合，继续搅拌一段时间。然后，将得到的混合溶液放置烘箱中，设定温度为80℃，烘12h，自然冷却后，再取出前驱体，在空气气氛中煅烧，煅烧温度为1050℃，煅烧时间为11小时，冷却研磨即得到铁酸铟铜In2CuFe2O7催化剂。
经过观测，本实施例7所制备的In2CuFe2O7样品的主要结构形貌、漫反射光谱、SEM图谱、对亚甲基蓝的降解率和降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例5相似。
实施例8：
首先，根据化学式In2CuFe2O7，分别称取硝酸铟In(NO3)3：1.504克，氢氧化铁Fe(OH)3：0.534克，氯化铜CuCl2：0.426克，分别加入稀硝酸溶液中直至完全溶解再加入适量的柠檬酸，磁力搅拌一段时间后分别得到含铟、含铜、含铁溶液，混合，继续搅拌一段时间。然后，将得到的混合溶液放置烘箱中，设定温度为80℃，烘12小时，自然冷却后，取出前驱体，再在空气气氛中煅烧，煅烧温度为1100℃，煅烧时间为14小时，冷却研磨即得到铁酸铟铜In2CuFe2O7催化剂。
经过观测，本实施例8所制备的In2CuFe2O7样品的主要结构形貌、漫反射光谱、SEM图谱、对亚甲基蓝的降解率和降解亚甲基蓝的动力学曲线与实施例5相似。
综上，各个实施例制备的化学式为In2CuFe2O7的光催化剂，经试验证实，制备方法简单、光催化效率高、应用前景广阔，可作为优良的无机光催化材料。
Claims (9)
1.一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料，其特征在于，化学式为In2CuFe2O7，颗粒尺寸分布均匀。
2.一种如权利要求1所述的一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料的制备方法，采用高温固相法，其特征在于，包括如下具体步骤：
（1）以含铟离子In3+的化合物、含铜离子Cu2+的化合物、含铁离子Fe3+的化合物为原料，按化学式In2CuFe2O7中对应元素的化学计量比称取各原料，研磨并混合均匀；
（2）将步骤（1）得到的混合物在空气气氛下预煅烧，预煅烧温度为300～700℃，煅烧时间为3～16小时，自然冷却后，研磨使其混合均匀；
（3）将步骤（2）得到的混合物在空气气氛中煅烧，煅烧温度为700～1050℃，煅烧时间为4～16小时，自然冷却，研磨均匀后即得到一种新型铁酸铟铜光催化粉末材料。
3.根据权利要求2所述的一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料的制备方法，其特征在于：所述的含铟离子In3+的化合物为氧化铟In2O3、硝酸铟In(NO3)3、氢氧化铟In(OH)3和氯化铟InCl3中的一种；所述的含有铜离子Cu2+的化合物为氧化铜CuO、硝酸铜Cu(NO3)23H2O、氢氧化铜Cu(OH)2和氯化铜CuCl22H2O中的一种；所述的含有铁离子Fe3+的化合物为氧化铁Fe2O3、氢氧化铁Fe(OH)3、硝酸铁Fe(NO3)39H2O和碳酸铁Fe2(CO3)3中的一种。
4.根据权利要求2或3所述的一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的煅烧温度为450～750℃，煅烧时间为4～15小时；步骤（3）所述的煅烧温度为850～1200℃，煅烧时间为5～15小时。
5.一种如权利要求1所述的可见光响应的铁酸铟铜光催化材料的制备方法，采用化学溶液法，其特征在于，包括如下具体步骤：
（A）按化学式In2CuFe2O7中各元素的化学计量比，首先称取含有铟离子In3+的化合物，溶于稀硝酸溶液中，加热搅拌，直至完全溶解，再加入络合剂，得到含铟溶液；其次称取含有铜离子Cu2+的化合物，溶于稀硝酸溶液中，加热搅拌，直至完全溶解，再加入络合剂，得到含铜溶液；接着，称取含有铁离子Fe3+的化合物，溶于稀硝酸溶液中，加热搅拌，直至完全溶解，得到含铁溶液，再加入络合剂；最后，将含铟、含铜、含铁溶液混合，在70-100℃下搅拌1～5小时，得到均匀混合溶液；
（B）将上述混合物溶液放置在烘箱中，温度为50℃-100℃，时间为12小时，陈化并烘干，得到前驱体；
（C）待自然冷却后，取出前驱体，在空气气氛中煅烧，煅烧温度为800～1150℃，煅烧时间为4～15小时，自然冷却后，研磨均匀即得到铁酸铟铜光催化材料In2CuFe2O7。
6.根据权利要求5所述的一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料的制备方法，其特征在于：所述的含铟离子In3+的化合物为氧化铟In2O3、硝酸铟In(NO3)3、氢氧化铟In(OH)3和氯化铟InCl3中的一种；所述的含有铜离子Cu2+的化合物为氧化铜CuO、硝酸铜Cu(NO3)23H2O、氢氧化铜Cu(OH)2和氯化铜CuCl22H2O中的一种；所述的含有铁离子Fe3+的化合物为氧化铁Fe2O3、氢氧化铁Fe(OH)3、硝酸铁Fe(NO3)39H2O和碳酸铁Fe2(CO3)3中的一种。
7.根据权利要求5或6所述的一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料的制备方法，其特征在于：所述的络合剂为柠檬酸或草酸。
8.根据权利要求5或6所述的一种可见光响应的铁酸铟铜光催化材料的制备方法，其特征在于：步骤（C）所述的煅烧温度为850～1100℃，煅烧时间为5～14小时。
9.一种如权利要求1所述的可见光响应的铁酸铟铜材料作为优良的无机光催化材料的应用。
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