CN107638887A - 一种用于工业废水处理的C@NiFe‑LDH催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于工业废水处理的C@NiFe‑LDH催化剂的制备方法，具体包括：(1)C球模板的制备；(2)NiFe‑LDH的制备；(3)C@NiFe‑LDH的制备；本发明首先通过水热法合成C球模板和NiFe‑LDH，然后通过超声条件将NiFe‑LDH、Ni2+和Fe3+吸附在碳球模板的表面，进一步通过微波水热法一方面直接将已存在的NiFe‑LDH镶嵌于C球结构中，另一方面通过Ni2+和Fe3+盐溶液的反应将NiFe‑LDH包覆于C球表面，从而形成了球状和层状复合的材料结构，该结构十分有利于催化材料性能的改进，其比表面积达到500‑800g/m2，在类芬顿反应体系在可见光照射下有着极高的催化降解效率，工业化前景显著。
Description
技术领域
本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂及其制备方法。
背景技术
在当今世界，无机纳米材料的发展对当代社会的发展和经济的增长起到非常重要的作用，因此人们对无机纳米材料及其的制备方法这方面的进展相当的重视，与此同时无机纳米材料的研究发展和制作方法也慢慢的成了针对无机纳米科技的研发过程中最有前途、最有可能应用于实际的对象之一，也引来了更多研究人员的目光。由于人们对纳米材料这方面研究的进展较好，人们也开始对无机层状材料的发展关注起来。目前无机材料研发领域的热门之一是材料形貌为层状的水滑石及类水滑石，即一种具有层状结构复合的双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides亦简称LDHs)。来自瑞典的Circa于1842年在矿物中发现了天然的水滑石，随后开始展开了对此类材料的研究和发展。1999年，欧洲还专门举办了研讨会，就是为了让研究人员对水滑石方面类似的材料的发展程度和水平有更好的了解，汇聚相关的信息来调整接下来的的研究方案。由此可知，学者的关注焦点也开始被吸引到LDHs上面了。LDHs的多种功能事实上是得益于它的独特构造，也因为它的这些独特的功能使LDHs成为近些年新型材料的热门研发对象，其实相较于国内，国外对此方面研究的时间更长，实际应用的范围更广，已经开始进入实际工业化投产的应用阶段了，例如欧洲和日本。
水滑石及类水滑石(Layered double hydroxides，LDHs)是一种具有层状结构的离子型材料，由类似于水镁石这样带有正电层板、层板间有负电抵偿作用的非金属离子与其内部的溶剂分子组成。金属阳离子处于正八面体晶格的中间，阳离子的顶点是连接着氢氧根负离子而形成可无穷扩展的二维结构。最普遍常见的水滑石的构成基本上是包括拥有二价和三价正价态的金属型离子，水滑石的表达式为：M1-x 2+Mx 3+(OH)2]x+[(An-)x/n·mH2O]x-，其中Mx 2+通常是Mg2+，Zn2+或者Ni2+离子，Mx 3+通常是A13+，Ga3+，Fe3+或者Mn3+离子。An-并不介入层板构造的形成，它相当于用来均衡电荷的非金属离子插进到层板之间，通常是一些无机或有机阴离子，如CO3 2-.C1-和PO4 3-等。水滑石也可能由Mx +和Mx 4+诸如此类的金属离子组成，但是只有一些特殊的金属离子适合，如Li+和Ti4+。因此LDHs材料最基本的结构特征就是“层状”。起初，当水滑石第一次在瑞典被科研人员发现后，科研人员一贯觉得它是由两种氢氧化物层层排列而构成的，随着科技的进步与发展，后来当Allmann和Taylor通过进行单晶X射线衍射实验并根据实验数据进行分析才发现了事实上两种金属离子是在同一层上的。随着研究人员的不懈努力，研究人员对LDHs此类的材料有了更深的认识，研究人员在此类材料的层状构造中察觉到层板间有不少带有负电荷的阴离子，由于所有的非金属阴离子在层板间起到了柱撑及相互之间可以交换的作用使得LDHs材料具有了好多特别的性能，也吸引了更多相关的研究人员对此类材料的广泛的关注。此类材料属于一类具有高度有序等多种优异功能的新型材料，构建此类材料的推动力基本上为共价键、离子键、氢键、静电力等及推动力彼此之间的作用。根据LDHs纳米材料特别的构造及优异的阴离子互换等能力，其在离子之间互换、改善污水的催化剂、吸附剂、作为阻燃的原料等方面得到了普遍的应用。由于对LDHS材料的深入研究，LDHS紧随着又在农药、医药、合成材料等相关领域中起到了相当重要的作用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂及其制备方法，该催化剂制备工艺简单、所制备催化剂催化性能优异，对工业废水的处理效果显著，具有十分广阔的应用前景。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)C球模板的制备：首先，称取25-50g的葡萄糖，加250-500mL的水溶解，磁力搅拌30-60min，配制成一定浓度的葡萄糖溶液；然后将上述溶液转移至反应釜中，并将其置于120-200℃温度下反应6-12h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得所述C球模板；
(2)NiFe-LDH的制备：首先，称取2-4mmol NiC4H6O4·4H2O，0.5-2mmol Fe(NO3)·9H2O和8-16mmol尿素，并将上述原料溶解于30-100mL水中，磁力搅拌30-60min；然后，将上述所得溶液转移至水热反应釜中，将其置于水热仪中，于温度120-200℃下反应12-36h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到NiFe-LDH；
(3)C@NiFe-LDH的制备：首先，称取2-4mmol NiC4H6O4·4H2O，0.5-2mmol Fe(NO3)·9H2O和8-16mmol尿素，并将上述原料溶解于30-100mL水中，磁力搅拌30-60min，再称取0.5-3g步骤(1)中的C球模板、1-3g步骤(2)中的NiFe-LDH加入到溶液中，超声30-60min；然后，将上述所得溶液转移至微波水热反应釜中，将其置于微波水热仪中，在微波反应功率为300-500W，温度120-200℃下反应12-36h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到C@NiFe-LDH。
其中，所述催化剂的形貌呈现球状和层状的复合结构，比表面积为500-800g/m2。
所述步骤(3)中微波水热反应的功率为400W，温度为180℃。
所述烘干的温度为100℃。
另外，本发明要求保护由所述制备方法制备得到的用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂。
本发明还要求保护所述用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂的应用，具体的：所述催化剂应用于可见光下利用非均相类芬顿反应来催化降解染料罗丹明B。
本发明的技术效果为：本发明首先通过水热法合成C球模板和NiFe-LDH，然后通过超声条件将NiFe-LDH、Ni2+和Fe3+吸附在碳球模板的表面，进一步通过微波水热法一方面直接将已存在的NiFe-LDH镶嵌于C球结构中，另一方面通过Ni2+和Fe3+盐溶液的反应将NiFe-LDH包覆于C球表面，从而形成了球状和层状复合的材料结构，该结构十分有利于催化材料性能的改进，其比表面积达到500-800g/m2，在类芬顿反应体系在可见光照射下有着极高的催化降解效率，工业化前景显著。
附图说明
图1为本发明实施例2所制备的C@NiFe-LDH催化剂的XRD图；
图2为本发明实施例2所制备的C@NiFe-LDH催化剂的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述：
实施例1
一种用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)C球模板的制备：首先，称取30g的葡萄糖，加300mL的水溶解，磁力搅拌45min，配制成一定浓度的葡萄糖溶液；然后将上述溶液转移至反应釜中，并将其置于160℃温度下反应9h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得所述C球模板；
(2)NiFe-LDH的制备：首先，称取3mmol NiC4H6O4·4H2O，1mmol Fe(NO3)·9H2O和10mmol尿素，并将上述原料溶解于60mL水中，磁力搅拌45min；然后，将上述所得溶液转移至水热反应釜中，将其置于水热仪中，于温度160℃下反应18h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到NiFe-LDH；
(3)C@NiFe-LDH的制备：首先，称取3mmol NiC4H6O4·4H2O，1mmol Fe(NO3)·9H2O和10mmol尿素，并将上述原料溶解于60mL水中，磁力搅拌45min，再称取1.5g步骤(1)中的C球模板、1g步骤(2)中的NiFe-LDH加入到溶液中，超声45min；然后，将上述所得溶液转移至微波水热反应釜中，将其置于微波水热仪中，在微波反应功率为400W，温度160℃下反应18h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到C@NiFe-LDH。
实施例2
一种用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)C球模板的制备：首先，称取50g的葡萄糖，加500mL的水溶解，磁力搅拌30min，配制成一定浓度的葡萄糖溶液；然后将上述溶液转移至反应釜中，并将其置于180℃温度下反应6h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得所述C球模板；
(2)NiFe-LDH的制备：首先，称取3mmol NiC4H6O4·4H2O，1mmol Fe(NO3)·9H2O和12mmol尿素，并将上述原料溶解于60mL水中，磁力搅拌30min；然后，将上述所得溶液转移至水热反应釜中，将其置于水热仪中，于温度180℃下反应24h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到NiFe-LDH；
(3)C@NiFe-LDH的制备：首先，称取3mmol NiC4H6O4·4H2O，1mmol Fe(NO3)·9H2O和12mmol尿素，并将上述原料溶解于60mL水中，磁力搅拌30min，再称取2g步骤(1)中的C球模板、1g步骤(2)中的NiFe-LDH加入到溶液中，超声60min；然后，将上述所得溶液转移至微波水热反应釜中，将其置于微波水热仪中，在微波反应功率为400W，温度180℃下反应24h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到C@NiFe-LDH。
实施例3
一种用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)C球模板的制备：首先，称取25g的葡萄糖，加250mL的水溶解，磁力搅拌30min，配制成一定浓度的葡萄糖溶液；然后将上述溶液转移至反应釜中，并将其置于200℃温度下反应6h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得所述C球模板；
(2)NiFe-LDH的制备：首先，称取2mmol NiC4H6O4·4H2O，0.5mmol Fe(NO3)·9H2O和8mmol尿素，并将上述原料溶解于40mL水中，磁力搅拌30min；然后，将上述所得溶液转移至水热反应釜中，将其置于水热仪中，于温度150℃下反应30h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到NiFe-LDH；
(3)C@NiFe-LDH的制备：首先，称取2mmol NiC4H6O4·4H2O，0.5mmol Fe(NO3)·9H2O和8mmol尿素，并将上述原料溶解于40mL水中，磁力搅拌30min，再称取1g步骤(1)中的C球模板、1g步骤(2)中的NiFe-LDH加入到溶液中，超声30min；然后，将上述所得溶液转移至微波水热反应釜中，将其置于微波水热仪中，在微波反应功率为400W，温度150℃下反应30h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到C@NiFe-LDH。
实施例4
一种用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)C球模板的制备：首先，称取40g的葡萄糖，加400mL的水溶解，磁力搅拌50min，配制成一定浓度的葡萄糖溶液；然后将上述溶液转移至反应釜中，并将其置于120℃温度下反应12h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得所述C球模板；
(2)NiFe-LDH的制备：首先，称取4mmol NiC4H6O4·4H2O，2mmol Fe(NO3)·9H2O和16mmol尿素，并将上述原料溶解于100mL水中，磁力搅拌60min；然后，将上述所得溶液转移至水热反应釜中，将其置于水热仪中，于温度200℃下反应15h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到NiFe-LDH；
(3)C@NiFe-LDH的制备：首先，称取4mmol NiC4H6O4·4H2O，2mmol Fe(NO3)·9H2O和16mmol尿素，并将上述原料溶解于100mL水中，磁力搅拌60min，再称取3g步骤(1)中的C球模板、2g步骤(2)中的NiFe-LDH加入到溶液中，超声60min；然后，将上述所得溶液转移至微波水热反应釜中，将其置于微波水热仪中，在微波反应功率为500W，温度200℃下反应12h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到C@NiFe-LDH。
实施例5
一种用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)C球模板的制备：首先，称取35g的葡萄糖，加350mL的水溶解，磁力搅拌40min，配制成一定浓度的葡萄糖溶液；然后将上述溶液转移至反应釜中，并将其置于160℃温度下反应8h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得所述C球模板；
(2)NiFe-LDH的制备：首先，称取2.5mmol NiC4H6O4·4H2O，1.5mmol Fe(NO3)·9H2O和10mmol尿素，并将上述原料溶解于60mL水中，磁力搅拌40min；然后，将上述所得溶液转移至水热反应釜中，将其置于水热仪中，于温度150℃下反应16h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到NiFe-LDH；
(3)C@NiFe-LDH的制备：首先，称取2.5mmol NiC4H6O4·4H2O，1.5mmol Fe(NO3)·9H2O和12mmol尿素，并将上述原料溶解于30-100mL水中，磁力搅拌40min，再称取1.5g步骤(1)中的C球模板、1g步骤(2)中的NiFe-LDH加入到溶液中，超声40min；然后，将上述所得溶液转移至微波水热反应釜中，将其置于微波水热仪中，在微波反应功率为400W，温度160℃下反应18h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到C@NiFe-LDH。
对比例1
一种用于工业废水处理的C@NiFe-LDO催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)C球模板的制备：首先，称取50g的葡萄糖，加500mL的水溶解，磁力搅拌30min，配制成一定浓度的葡萄糖溶液；然后将上述溶液转移至反应釜中，并将其置于180℃温度下反应6h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得所述C球模板；
(2)NiFe-LDH的制备：首先，称取3mmol NiC4H6O4·4H2O，1mmol Fe(NO3)·9H2O和12mmol尿素，并将上述原料溶解于60mL水中，磁力搅拌30min；然后，将上述所得溶液转移至水热反应釜中，将其置于水热仪中，于温度180℃下反应24h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到NiFe-LDH；
(3)C@NiFe-LDH的制备：首先，称取3mmol NiC4H6O4·4H2O，1mmol Fe(NO3)·9H2O和12mmol尿素，并将上述原料溶解于60mL水中，磁力搅拌30min，再称取2g步骤(1)中的C球模板、1g步骤(2)中的NiFe-LDH加入到溶液中，超声60min；然后，将上述所得溶液转移至微波水热反应釜中，将其置于微波水热仪中，在微波反应功率为400W，温度180℃下反应24h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到C@NiFe-LDH；
(4)将步骤(3)研磨后将C@NiFe-LDH粉末转移至坩埚中，于马弗炉中500℃煅烧2h得到C@NiFe-LDO。
对比例2
一种用于工业废水处理的NiFe-LDH催化剂的制备方法，包括如下步骤：首先，称取3mmol NiC4H6O4·4H2O，1mmol Fe(NO3)·9H2O和12mmol尿素，并将上述原料溶解于60mL水中，磁力搅拌30min；然后，将上述所得溶液转移至水热反应釜中，将其置于水热仪中，于温度180℃下反应24h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到NiFe-LDH。
实施例6
类芬顿反应催化降解RhB实验：
类芬顿反应同样是在可见光(λ≥420nm)的照射下，通过催化降解罗丹明B染料进行探究和比较对比例2的NiFe-LDH、对比例1的C@NiFe-LDO、实施例1-5的C@NiFe-LDH材料的光催化活性。光催化实验都是在配置有cut 420滤光片的300W的氙灯上进行的。
首先，称取10.0mg的RhB溶解于蒸馏水中，转移至100mL的容量瓶中，定容至刻度。然后再量取10mL RhB，转移至另一个100mL的容量瓶中，定容至刻度，即得10mg/L的RhB溶液。接着，在所有的光催化实验中，都先称取50mg所制备的光催化材料，加入到50mL的RhB溶液中，在遮光的条件下，进行暗搅拌30min，使催化剂和染料达到吸附脱附平衡。在暗搅拌结束之后，加入1.5mL的H2O2溶液，然后在光照条件下进行催化降解实验，中间每隔20min取出2.5mL溶液，共取8组样。最后，将去除催化剂固体的反应液置于紫外分光光度计中来测定染料RhB在553nm处吸收峰强度的变化，从而用来表征产物的光催化活性。其结果见表1：
表1 各催化剂对罗丹明B的降解率表
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)C球模板的制备：首先，称取25-50g的葡萄糖，加250-500mL的水溶解，磁力搅拌30-60min，配制成一定浓度的葡萄糖溶液；然后将上述溶液转移至反应釜中，并将其置于120-200℃温度下反应6-12h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得所述C球模板；
(2)NiFe-LDH的制备：首先，称取2-4mmol NiC4H6O4·4H2O，0.5-2mmol Fe(NO3)·9H2O和8-16mmol尿素，并将上述原料溶解于30-100mL水中，磁力搅拌30-60min；然后，将上述所得溶液转移至水热反应釜中，将其置于水热仪中，于温度120-200℃下反应12-36h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到NiFe-LDH；
(3)C@NiFe-LDH的制备：首先，称取2-4mmol NiC4H6O4·4H2O，0.5-2mmol Fe(NO3)·9H2O和8-16mmol尿素，并将上述原料溶解于30-100mL水中，磁力搅拌30-60min，再称取0.5-3g步骤(1)中的C球模板、1-3g步骤(2)中的NiFe-LDH加入到溶液中，超声30-60min；然后，将上述所得溶液转移至微波水热反应釜中，将其置于微波水热仪中，在微波反应功率为300-500W，温度120-200℃下反应12-36h，之后自然冷却至室温、用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，最后于烘箱中烘干即得到C@NiFe-LDH。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂的形貌呈现球状和层状的复合结构，比表面积为500-800g/m2。
3.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中微波水热反应的功率为400W，温度为180℃。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为100℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述制备方法制备得到的用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂。
6.根据权利要求5所述用于工业废水处理的C@NiFe-LDH催化剂的应用，其特征在于，所述催化剂应用于可见光下利用非均相类芬顿反应来催化降解染料罗丹明B。
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