CN105618100A - 一种铁酸锌/氮化硼复合光催化材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁酸锌/氮化硼复合光催化材料，以氮化硼纳米片为催化剂载体，将铁酸锌负载于氮化硼纳米片上，其中氮化硼纳米片和铁酸锌的摩尔比为1：0.01～0.6。本发明还公开了其制备方法：将硝酸铁溶液和硝酸锌混合后加入氮化硼纳米片，超声分散调节pH值至8～11后转移至水热反应釜进行水热反应，然后自然冷却至室温，将得到产物离心分离洗涤，干燥，即得。本发明复合光催化材料，利用氮化硼纳米片表面存在的氮空位导致其具有一定的电负性，将光照激发后铁酸锌价带的光生空穴吸引以促进空穴的迁移，进而提高光生载流子的迁移效率。
Description
技术领域
本发明属于无机环保催化材料技术领域，具体涉及一种铁酸锌/氮化硼复合光催化材料，本发明还涉及该复合光催化材料的制备方法。
背景技术
半导体光催化技术以其高效的特点日益受到人们的重视，用于解决环境污染问题和太阳能转换。对于高效光催化剂的选择是半导体光催化技术最重要的一个方面，目前，大约有200多种半导体可用于光催化反应，但是，较低的量子效率和严重的光腐蚀现象影响了大多数光催化剂的应用。因此，如何提高半导体光催化剂光生电子空穴的分离效率以抑制其快速复合是光催化技术所面临的问题。通常情况，催化剂的晶体结构、颗粒尺寸、形貌、特定暴露晶面和表面修饰(如，贵金属表面沉积、碳纳米管修饰、石墨烯修饰以及半导体复合等)是提高光生电子空穴分离效率的重要途径，但是，这些方法都是以提高光生电子的传输速率为基础的，然而，通过提高光生空穴的迁移速率以提高光生载流子的分离效率却被忽视。目前，改变光生空穴的迁移速率有两种方法，第一，设计具有能带结构比配的半导体复合体系，在体系吸收光子能量被激发后，可以实现空穴从一种半导体的价带迁移至另一种半导体的价带，但是这种形式的迁移会减弱空穴的氧化能力。另一种方法是在半导体光催化剂表面修饰空穴捕获剂(如RuO2、NiO、IrO2等)，这种方法在光解水制氢的反应中是有效的，但是在光催化降解有机物的反应中是否有效还未见报道，因此，这类方法的应用具有一定的局限性。开发一种新型有效的能够促进光生空穴迁移速率的方法是提高半导体光催化剂光生载流子分离效率的另一个重要途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁酸锌/氮化硼复合光催化材料，解决了现有都是以提高光生电子的传输速率为基础的，然而通过提高光生空穴的迁移速率以提高光生载流子的分离效率却被忽视的问题。
本发明的另一个目的是提供一种铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种铁酸锌/氮化硼复合光催化材料，以氮化硼纳米片为催化剂载体，将铁酸锌负载于氮化硼纳米片上，其中氮化硼纳米片和铁酸锌的摩尔比为1：0.01～0.6。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法，将硝酸铁溶液和硝酸锌混合后加入氮化硼纳米片，超声分散得到悬浮溶液，将悬浮溶液在搅拌状态下调节pH值至8～11后转移至水热反应釜，并置于烘箱中加热进行水热反应，然后自然冷却至室温，将得到产物离心分离洗涤，干燥，得到铁酸锌/氮化硼复合光催化材料。
本发明的特点还在于，
硝酸铁溶液的浓度为0.1～3mol/L，硝酸锌溶液的浓度为0.1～3mol/L，且硝酸铁溶液和硝酸锌溶液中锌离子和铁离子的摩尔比为1：2。
氮化硼纳米片和锌离子的摩尔比为1：0.01～0.6。
水热反应温度为150～220℃，时间为5～30h。
氮化硼纳米片通过以下方法得到：将六方氮化硼粉体、硝酸钠和浓硫酸混合后置于冰水浴中搅拌均匀，然后加入高锰酸钾，持续搅拌反应8～24h后再加入双氧水，持续搅拌反应0.5～1h得到悬浮液，将悬浮液在3000rpm条件下离心10min，将上层悬浮液用微孔抽滤，去离子水洗涤至中性，干燥后得到氮化硼纳米片。
六方氮化硼粉体、硝酸钠和浓硫酸质量比为1：0.5～1：30～60。
六方氮化硼和高锰酸钾的质量比为1：0.5～1。
高锰酸钾和双氧水的质量比为1：8～16。
本发明的有益效果是，本发明铁酸锌/氮化硼复合光催化材料，利用氮化硼纳米片表面存在的氮空位导致其具有一定的电负性，将光照激发后铁酸锌价带的光生空穴吸引以促进空穴的迁移，进而提高光生载流子的迁移效率；此外，氮化硼纳米片大的比表面积有利于增加复合体系的吸附性能，这些对于光催化效率的提高都是有利的。
本发明铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法，过程简单，反应条件温和，合成效率高，成本低。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种铁酸锌/氮化硼复合光催化材料，以氮化硼纳米片为催化剂载体，将铁酸锌负载于氮化硼纳米片上，其中氮化硼纳米片和铁酸锌的摩尔比为1：0.01～0.6。
氮化硼具有与石墨相似的结构，但是与石墨相比，氮化硼还具有很多优异的物理化学特性，如耐高温、高导热、优异的电学性能、良好的高温稳定性以及化学稳定性等。层状氮化硼纳米片表面由于存在氮空位会导致其具有一定的电负性，如果以氮化硼纳米片作为光催化剂载体，将半导体光催化剂负载于氮化硼纳米片上，体系受光照激发后，氮化硼纳米片表面的电负性会吸引半导体价带的光生空穴以促进空穴的迁移，进而提高光生载流子的迁移效率。此外，氮化硼纳米片大的比表面有利于增加复合体系的吸附性能，这些对于光催化效率都是有利的。
上述铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将六方氮化硼粉体、硝酸钠和浓硫酸按照质量比为1：0.5～1：30～60混合后置于冰水浴中搅拌均匀，然后加入高锰酸钾，六方氮化硼和高锰酸钾的质量比为1：0.5～1，持续搅拌反应8～24h后再加入双氧水，高锰酸钾和双氧水的质量比为1：8～16，持续搅拌反应0.5～1h得到悬浮液，将悬浮液在3000rpm条件下离心10min，将上层悬浮液用微孔抽滤，去离子水洗涤至中性，干燥后得到氮化硼纳米片；
步骤2，将浓度为0.1～3mol/L硝酸铁溶液和浓度为0.1～3mol/L硝酸锌(锌离子和铁离子的摩尔比为1：2)混合后加入氮化硼纳米片，氮化硼纳米片和锌离子的摩尔比为1：0.01～0.6，超声分散得到悬浮溶液，将悬浮溶液在搅拌状态下采用碱性溶液(碱性溶液可以是氨水、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或多种组合)调节pH值至8～11后转移至水热反应釜，并置于烘箱中加热至150～220℃水热处理5～30h，然后自然冷却至室温，将得到产物离心分离洗涤，干燥，得到铁酸锌/氮化硼复合光催化材料。
实施例1
步骤1，将1g六方氮化硼粉体、0.5g硝酸钠和30g浓硫酸混合后置于冰水浴中搅拌均匀，然后加入0.5g高锰酸钾，持续搅拌反应8h后再加入4g双氧水，持续搅拌反应0.5h得到悬浮液，将悬浮液在3000rpm条件下离心10min，将上层悬浮液用微孔抽滤，去离子水洗涤至中性，60℃干燥12h后得到氮化硼纳米片；
步骤2，将10ml、浓度为0.1mol/L硝酸锌溶液和20ml、浓度为0.1mol/L硝酸铁混合后加入2.48g氮化硼纳米片，超声分散得到悬浮溶液，将悬浮溶液在搅拌状态下调节pH值至8后转移至水热反应釜，并置于烘箱中加热至150℃水热处理5h，然后自然冷却至室温，将得到产物离心分离洗涤，于80℃干燥12h，得到铁酸锌/氮化硼复合光催化材料。
实施例2
步骤1，将1g六方氮化硼粉体、1g硝酸钠和60g浓硫酸混合后置于冰水浴中搅拌均匀，然后加入1g高锰酸钾，持续搅拌反应24h后再加入16g双氧水，持续搅拌反应1h得到悬浮液，将悬浮液在3000rpm条件下离心10min，将上层悬浮液用微孔抽滤，去离子水洗涤至中性，60℃干燥12h后得到氮化硼纳米片；
步骤2，将20ml、浓度为3mol/L硝酸锌溶液和40ml、浓度为3mol/L硝酸铁混合后加入2.48g氮化硼纳米片，超声分散得到悬浮溶液，将悬浮溶液在搅拌状态下调节pH值至11后转移至水热反应釜，并置于烘箱中加热至2250℃水热处理30h，然后自然冷却至室温，将得到产物离心分离洗涤，于80℃干燥12h，得到铁酸锌/氮化硼复合光催化材料。
实施例3
步骤1，将1g六方氮化硼粉体、0.5g硝酸钠和30g浓硫酸混合后置于冰水浴中搅拌均匀，然后加入0.5g高锰酸钾，持续搅拌反应8h后再加入4g双氧水，持续搅拌反应0.5h得到悬浮液，将悬浮液在3000rpm条件下离心10min，将上层悬浮液用微孔抽滤，去离子水洗涤至中性，60℃干燥12h后得到氮化硼纳米片；
步骤2，将20ml、浓度为3mol/L硝酸锌溶液和40ml、浓度为3mol/L硝酸铁混合后加入2.48g氮化硼纳米片，超声分散得到悬浮溶液，将悬浮溶液在搅拌状态下调节pH值至11后转移至水热反应釜，并置于烘箱中加热至220℃水热处理30h，然后自然冷却至室温，将得到产物离心分离洗涤，于80℃干燥12h，得到铁酸锌/氮化硼复合光催化材料。
实施例4
步骤1，将1g六方氮化硼粉体、1g硝酸钠和60g浓硫酸混合后置于冰水浴中搅拌均匀，然后加入1g高锰酸钾，持续搅拌反应24h后再加入16g双氧水，持续搅拌反应1h得到悬浮液，将悬浮液在3000rpm条件下离心10min，将上层悬浮液用微孔抽滤，去离子水洗涤至中性，60℃干燥12h后得到氮化硼纳米片；
步骤2，将10ml、浓度为0.1mol/L硝酸锌溶液和20ml、浓度为0.1mol/L硝酸铁混合后加入2.48g氮化硼纳米片，超声分散得到悬浮溶液，将悬浮溶液在搅拌状态下调节pH值至8后转移至水热反应釜，并置于烘箱中加热至150℃水热处理5h，然后自然冷却至室温，将得到产物离心分离洗涤，于80℃干燥12h，得到铁酸锌/氮化硼复合光催化材料。
实施例5
步骤1，将1g六方氮化硼粉体、0.8g硝酸钠和40g浓硫酸混合后置于冰水浴中搅拌均匀，然后加入0.8g高锰酸钾，持续搅拌反应12h后再加入8g双氧水，持续搅拌反应0.8h得到悬浮液，将悬浮液在3000rpm条件下离心10min，将上层悬浮液用微孔抽滤，去离子水洗涤至中性，60℃干燥12h后得到氮化硼纳米片；
步骤2，将10ml、浓度为1mol/L硝酸锌溶液和20ml、浓度为1mol/L硝酸铁混合后加入0.62g氮化硼纳米片，超声分散得到悬浮溶液，将悬浮溶液在搅拌状态下调节pH值至10后转移至水热反应釜，并置于烘箱中加热至180℃水热处理10h，然后自然冷却至室温，将得到产物离心分离洗涤，于80℃干燥12h，得到铁酸锌/氮化硼复合光催化材料。
实施例6
步骤1，将1g六方氮化硼粉体、0.6g硝酸钠和50g浓硫酸混合后置于冰水浴中搅拌均匀，然后加入0.9g高锰酸钾，持续搅拌反应20h后再加入10.8g双氧水，持续搅拌反应0.6h得到悬浮液，将悬浮液在3000rpm条件下离心10min，将上层悬浮液用微孔抽滤，去离子水洗涤至中性，60℃干燥12h后得到氮化硼纳米片；
步骤2，将10ml、浓度为2mol/L硝酸锌溶液和20ml、浓度为2mol/L硝酸铁混合后加入4.96g氮化硼纳米片，超声分散得到悬浮溶液，将悬浮溶液在搅拌状态下调节pH值至8后转移至水热反应釜，并置于烘箱中加热至150℃水热处理5h，然后自然冷却至室温，将得到产物离心分离洗涤，于80℃干燥12h，得到铁酸锌/氮化硼复合光催化材料。
Claims (9)
1.一种铁酸锌/氮化硼复合光催化材料，其特征在于，以氮化硼纳米片为催化剂载体，将铁酸锌负载于氮化硼纳米片上，其中氮化硼纳米片和铁酸锌的摩尔比为1：0.01～0.6。
2.一种铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法，其特征在于，将硝酸铁溶液和硝酸锌混合后加入氮化硼纳米片，超声分散得到悬浮溶液，将悬浮溶液在搅拌状态下调节pH值至8～11后转移至水热反应釜，并置于烘箱中加热进行水热反应，然后自然冷却至室温，将得到产物离心分离洗涤，干燥，得到铁酸锌/氮化硼复合光催化材料。
3.根据权利要求2所述的铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法，其特征在于，硝酸铁溶液的浓度为0.1～3mol/L，硝酸锌溶液的浓度为0.1～3mol/L，且硝酸铁溶液和硝酸锌溶液中锌离子和铁离子的摩尔比为1：2。
4.根据权利要求2所述的铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法，其特征在于，氮化硼纳米片和锌离子的摩尔比为1：0.01～0.6。
5.根据权利要求2所述的铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法，其特征在于，水热反应温度为150～220℃，时间为5～30h。
6.根据权利要求2或4所述的铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法，其特征在于，氮化硼纳米片通过以下方法得到：将六方氮化硼粉体、硝酸钠和浓硫酸混合后置于冰水浴中搅拌均匀，然后加入高锰酸钾，持续搅拌反应8～24h后再加入双氧水，持续搅拌反应0.5～1h得到悬浮液，将悬浮液在3000rpm条件下离心10min，将上层悬浮液用微孔抽滤，去离子水洗涤至中性，干燥后得到氮化硼纳米片。
7.根据权利要求6所述的铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法，其特征在于，六方氮化硼粉体、硝酸钠和浓硫酸质量比为1：0.5～1：30～60。
8.根据权利要求6所述的铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法，其特征在于，六方氮化硼和高锰酸钾的质量比为1：0.5～1。
9.根据权利要求6所述的铁酸锌/氮化硼复合光催化材料的制备方法，其特征在于，高锰酸钾和双氧水的质量比为1：8～16。
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