CN105268479A - 基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂及其制备方法 - Google Patents

基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂及其制备方法，涉及环境催化材料、环境保护材料技术领域，本发明新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂在常温和可见光照射下，可以在三小时内高效降解水中的有机污染物，如罗丹明B、甲基橙、对硝基苯酚等，与常规的光催化剂相比，本发明光催化材料具有以下优点：反应条件温和，催化效率高；原料易得，价格低廉；制备工艺简单易行，适合大批量生产；催化降解产物为水和二氧化碳，无毒无害不会造成二次污染。

Description

基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及环境催化材料、环境保护材料技术领域，具体涉及一种基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂及其制备方法。
背景技术
随着近代工业的发展，工业废水的有机物质对环境造成了巨大的破坏，如何有效地降解废水中的有机物也成了研究人员的研究热点。目前常用的有生物化学法、波膜过滤法、活性炭吸附法等等，但因为其成本高昂且难以独立使用，因此研究一种高效且可以独立使用的废水处理材料变得至关重要。
常见的有机废水的代表产物有罗丹明B、甲基橙和对硝基苯酚等，罗丹明B(RhodamineB)又称玫瑰红B,或碱性玫瑰精，俗称花粉红，是一种具有鲜桃红色的人工合成的染料，是氧杂蒽染料中的代表物质。经老鼠试验发现，罗丹明B会引致皮下组织生肉瘤，被怀疑是致癌物质。罗丹明B在印染工业中大量应用，属于有机废水中的难降解、易积累的有毒污染物。如果不经处理即排放至水环境中，会对环境照成巨大的破坏，因此如何催化降解罗丹明便是一个亟待解决的难题。
近年来光催化降解材料因为其在废水处理的中的应用，越来越受到研究人员的关注。光催化材料以太阳光作为驱动力，绿色环保，太阳能转化效率高，稳定性高。而且光催化过程是一种深度氧化技术，可以将有机污染物通过氧化还原反应彻底分解，而传统的污水处理材料仅仅是是将有机污染物吸附或者过滤，只是通过物理作用将其富集并转移，并不能从根本上解决问题，容易造成二次污染。光催化技术反应条件温和，在室温下与光照下即可降解有机物质，而传统的焚烧法可能会产生有毒的中间物质，再次污染环境。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术不足，本发明提供一种基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂及其制备方法，本发明光催化剂是有机配合基与铁盐类配体形成的金属有机框架催化体系，能够在室温、可见光照射下以及较低的压力条件下高效降解有机污染物，反应条件温和，且制备工艺简单，催化降解产物为水和二氧化碳，无毒无害不会造成二次污染。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂，所述光催化剂为：包括若干个由具有Fe2+的铁盐类配体与邻菲罗啉配位形成的配位体，两两配位体再通过草酸连接形成的空间链状结构；所述草酸键合所述Fe2+。
优选的，所述光催化剂能够在室温和可见光照射下降解有机污染物。
一种基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、取一定量的草酸钠，备用；
S2、称取一定量的氯化铁和一定量的邻菲罗啉，再与步骤S1中的草酸钠共同置于反应釜中，加入一定量的去离子水搅拌0.5-3h，待溶液形成均匀液相，再滴加氢氧化钠调节pH值至3.5-4.2，得到均匀混合溶液；
S3、将步骤S2中装有均匀混合溶液的反应釜放入烘箱中，在150-170℃条件下保温60-80h，取出后冷却，在室温下洗涤干燥，得到紫红色晶体，即为本发明光催化材料。
优选的，步骤S1所述的氢氧化钠调节pH值为4，步骤S2所述烘箱加热条件为160℃保温72h。
优选的，所述原料的摩尔比为草酸钠：氯化铁：邻菲罗啉为1：1：1。
(三)有益效果
本发明提供一种新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂及其制备方法，本发明具有以下有益效果：
1、反应条件温和：本发明能够在室温、可见光照射下以及较低的压力条件下高效降解有机污染物，反应条件温和，在室温下，仅需太阳光照即可降解水中的有机污染物；
2、催化效率高：本发明光催化剂在可见光条件下，三小时内即可完全催化降解多种有机污染物；
3、原料易得，价格低廉：采用氯化铁、草酸钠与邻菲罗啉为原料，与常规的贵金属光催化剂相比，原料价格极为低廉，且容易购买；
4、制备工艺简单易行，适合大批量生产：该产品采用的为水热法，制备后仅需干燥过滤即可获得所需的产品，不需复杂工艺，无安全隐患，适合工业化生产。
5、催化降解过程可将污染物降解为水和二氧化碳，降解产物无毒无害，不会造成二次污染。
附图说明
图1为本发明光催化剂晶体由一个草酸连接两个配位体形成的的结构片段图；
图2为本发明光催化剂晶体由若干个草酸与配位体形成的链状空间结构图；
图3为本发明光催化剂晶体的XRD图谱；
图4为本发明光催化剂晶体降解甲基橙、对硝基苯酚、罗丹明B的时间-降解率曲线图；
图5为本发明光催化剂晶体催化降解甲基橙波长-吸收率曲线图；
图6为本发明光催化剂晶体催化降解罗丹明B波长-吸收率曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、取一定量的草酸钠，备用；
S2、称取一定量的氯化铁和一定量的邻菲罗啉，再与步骤S1中的草酸钠共同置于水热反应釜中待用，向入水热反应釜中加入一定量的去离子水搅拌60min后形成均匀液相；然后在上述体系中滴加氢氧化钠调节pH值至4，当pH在4-6之间，Fe2的铁盐类配体与邻菲罗啉配位形成配位体，直到形成均匀混合溶液；
S3、将步骤S2中装有均匀混合溶液的反应釜放入烘箱中，在160℃条件下保温72h，取出后在室温下进行洗涤干燥，即可得到1.089g紫红色晶体，即为本发明光催化材料。
本发明基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂是由具有Fe2的铁盐类配体与邻菲罗啉配位，再通过草酸键合Fe2+形成的空间链状结构，该空间链状结构是具有如图1或图2结构的金属有机框架结构，本发明基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂是一种在可见光、常温下以及较低的压力条件下具有光催化作用的简单的铁基金属有机框架材料。
实施例2：
一种新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、取一定量的草酸钠，备用；
S2、称取一定量的氯化铁和一定量的邻菲罗啉，再与步骤S1中的草酸钠共同置于30mL水热反应釜中待用，向入水热反应釜中加入10mL的去离子水搅拌60min后形成均匀液相；然后在上述体系中滴加4mL氢氧化钠调节pH值至4，直到形成均匀混合溶液；
S3、将步骤S2中装有均匀混合溶液的反应釜放入烘箱中，在160℃条件下保温72h，取出后在室温下进行洗涤干燥，即可得到1.089g紫红色晶体，即为本发明光催化材料。
实施例3：
一种新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取1.339g草酸钠，备用；
S2、称取2.701g氯化铁和1.981g邻菲罗啉，再与步骤S1中制得的1.339g草酸钠共同置于30mL的水热反应釜中待用，向水热反应釜中加入10mL去离子水搅拌3h后形成均匀液相；然后在上述体系中缓慢加入4mL氢氧化钠调节pH值至3.5，直到形成均匀混合溶液；
S3、将步骤S2中装有均匀混合溶液的反应釜放入烘箱中，在150℃条件下保温80h，取出后在室温下进行洗涤干燥，即可得到1.089g紫红色晶体，即为本发明光催化材料。
实施例4：
一种新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取1.339g草酸钠，备用；
S2、称取2.701g氯化铁和1.981g邻菲罗啉，再与步骤S1中的2.678g草酸钠共同置于装有30mL聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中待用，向入装有聚四氟乙烯内衬的反应釜中加入10mL去离子水搅拌3h后形成均匀液相；然后在上述体系中缓慢加入4mL氢氧化钠调节pH值至4，直到形成均匀混合溶液；
S3、将步骤S2中装有均匀混合溶液的反应釜放入烘箱中，在150℃条件下保温80h，取出后在室温下进行洗涤干燥，即可得到紫红色晶体，即为本发明光催化材料。
实施例5：
一种新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取1.339g草酸钠，备用；
S2、称取2.701g氯化铁和1.981g邻菲罗啉，再与步骤S1中的1.339g草酸钠共同置于装有30mL聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中待用，向装有聚四氟乙烯内衬的反应釜中加入10mL去离子水搅拌3h后形成均匀液相；然后在上述体系中缓慢加入4mL氢氧化钠调节pH值至4，直到形成均匀混合溶液；
S3、将步骤S2中装有均匀混合溶液的反应釜放入烘箱中，在160℃条件下保温72h，取出后在室温下进行洗涤干燥，即可得到紫红色晶体，即为本发明光催化材料。
催化剂表征及催化剂降解有机物图谱
如图1为本发明光催化剂晶体结构图；图2为本发明光催化剂晶体的链状空间结构；
图3为本发明光催化剂晶体的XRD图谱，由图3可以看出，与对照样品相比，在特定位置观察到本发明光催化剂晶型峰；
图4为本发明光催化剂晶体降解甲基橙、对硝基苯酚、罗丹明B的时间-降解率曲线图，从图中可以看出，本发明光催化剂对有机污染物甲基橙、对硝基苯酚、罗丹明B均有较强的降解作用，降解速度都很快，其中降解速度最快的为甲基橙；
图5为本发明光催化剂晶体催化降解甲基橙波长-吸收率曲线图，通过图中可以看出，降解开始可以检测到很强的甲基橙波长-吸收率曲线，当时间达到120min已经基本检测不到甲基橙波长-吸收率曲线，说明本发明光催化剂在2h内就可将甲基橙完全降解；
图6为本发明光催化剂晶体催化降解罗丹明B波长-吸收率曲线图，图中所示，开始阶段能够检测到大量罗丹明B存在，当时间进行到120min只有少量丹明B存在，时间达到180min罗丹明B已经完全降解。
综上所述，本发明新型的基于铁与邻菲罗啉的光催化剂催化效率高，在可见光条件下，三小时内即可完全催化降解多种有机污染物，催化降解过程可将污染物降解为水和二氧化碳，降解产物无毒无害，不会造成二次污染，面对现如今环境污染现状，本发明光催化剂有很大的应用前景。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂，其特征在于，所述光催化剂为：包括若干个由具有Fe2+的铁盐类配体与邻菲罗啉配位形成的配位体，两两配位体再通过草酸连接形成的空间链状结构；所述草酸键合所述Fe2+。
2.如权利要求1所述的新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂，其特征在于，所述光催化剂能够在室温和可见光照射下降解有机污染物。
3.一种如权利要求1或2所述的新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取一定量的草酸钠，备用；
S2、称取一定量的氯化铁和一定量的邻菲罗啉，再与步骤S1中的草酸钠共同置于反应釜中，加入一定量的去离子水搅拌0.5-3h，待溶液形成均匀液相，再滴加氢氧化钠调节pH值至3.5-4.2，得到均匀混合溶液；
S3、将步骤S2中装有均匀混合溶液的反应釜放入烘箱中，在150-170℃条件下保温60-80h，取出后冷却，在室温下洗涤干燥，得到紫红色晶体，即为本发明光催化材料。
4.如权利要求4所述的新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的氢氧化钠调节pH值为4，步骤S2所述烘箱加热条件为160℃保温72h。
5.如权利要求4所述的新型基于铁与邻菲罗啉的高效光催化剂的制备方法，其特征在于，所述原料的摩尔比为草酸钠：氯化铁：邻菲罗啉为1：1：1。
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