CN107754817B - 三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用,该复合材料包括Sn0.215In0.38S和还原氧化石墨烯,Sn0.215In0.38S生长在还原氧化石墨烯表面。其制备方法包括:制备氧化石墨烯混合液,与锡源、铟源和硫源混合进行水热反应,制得复合材料。本发明的复合材料具有吸附容量大、传质效率高、可见光吸收范围广、吸收强度高、光生电荷传导与分离效率高、光催化性能好、稳定性和抗光腐蚀能力强等优点,其制备方法具有反应条件容易控制、操作方法简单、没有使用任何有机溶剂、无二次污染、环保效益好等优点,将该复合材料用于处理染料废水时具有去除率高、操作方便、成本低廉、无二次污染等优点。

Description

三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于材料制备与环境保护领域,涉及一种三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用,具体涉及一种三元金属硫化物Sn0.215In0.38S/还原氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
合成染料通常被用于纺织、皮革、纸张印刷、化妆品、油漆等化学品和医药工业行业中,因而这些行业每年会产生大量的的染料废水。由于染料在毒理学和视觉美学等方面的影响,水体中的染料引起的环境问题成为了人们日益担忧的焦点问题。以罗丹明B为例,其作为一种水溶性的非生物降解染料,具有致癌和致突变的毒性。目前,用于处理水体中染料的方法,包括高级氧化法、膜过滤法、吸附法、混凝/絮凝和光催化降解法。其中,利用永久性太阳能的光催化降解法由于无二次污染产生被认为是一种环境友好型的技术,而吸附法由于操作简单同样也被视为是一种有吸引力的能够高效处理染料的途径,且吸附被认为是实现光催化的前提。
半导体光催化降解水体中有机污染物主要是依靠利用太阳能原位生成具有高氧化活性的物质矿化降解有机物质成CO2和H2O。许多努力被付诸于研发具有可见光响应特性的光催化材料。其中,过渡金属硫化物,尤其是三元金属硫化物,具有窄带系、高稳定性和强可见光吸收,受到科研工作者的强烈关注。近年来,许多具有良好可见光响应的三元金属硫化物,如CaIn2S4、CdIn2S4、ZnIn2S4、AgIn5S8等被研发出来。但是,对于大多金属硫化物半导体而言,由于其污染物吸附容量较低以及电子-空穴复合率高等局限,极大地限制了光催化反应的效率,难以用于处理高浓度污染物的废水。因而开发具有高吸附性能的三元金属硫化物复合光催化剂是实现污染物高效去除效率的必要途径。现有技术中采用溶剂热法已经制备得到了硫化物半导体/还原氧化石墨烯复合材料,如Cd0.9Bi0.1S/rGO、Cd0.9Zn0.1S/rGO,然而此类复合材料存在氧化石墨烯容易改变金属硫化物形貌、金属硫化物光催化稳定性不高、难以处理高浓度废水等问题,且它们的制备方法存在有机溶剂消耗量大、反应温度高、生产成本高、易造成二次污染等问题。因此,获得一种吸附容量大、传质效率高、对可见光吸收范围广、吸收强度高、光生电荷传导与分离效率高、光催化性能好、稳定性和抗光腐蚀能力强、对高浓度废水适用性强、循环利用性好的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料以及提供一种反应条件容易控制、操作方法简单、制备过程中没有使用任何有机溶剂、无二次污染、环保效益好的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种吸附容量大、传质效率高、对可见光吸收范围广、吸收强度高、光生电荷传导与分离效率高、光催化性能好、稳定性和抗光腐蚀能力强、对高浓度废水适用性强、循环利用性好的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料,还提供了一种反应条件容易控制、操作方法简单、制备过程中没有使用任何有机溶剂、无二次污染、环保效益好的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法,以及该三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料在处理染料废水的应用,该应用方法具有去除率高、操作方便、成本低廉、无二次污染等优点。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料,包括三元金属硫化物和还原氧化石墨烯,所述三元金属硫化物为Sn0.215In0.38S;所述Sn0.215In0.38S生长在所述还原氧化石墨烯表面。
上述的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料,进一步改进的,所述三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料中所述还原氧化石墨烯的质量百分含量为1%~5%。
上述的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料,进一步改进的,所述Sn0.215In0.38S为多孔微球;所述多孔微球由纳米片相互交织而组成,呈多孔球状结构;所述多孔微球的直径为2μm~10μm。
作为一个总的技术构思,本发明还提供了一种上述的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法,包括以下步骤:
S1、将氧化石墨烯与水混合,超声剥离,得到氧化石墨烯混合液;
S2、将锡源、铟源和硫源与所述步骤S1中的氧化石墨烯混合液混合,搅拌,得到前驱体溶液;
S3、将所述前驱体溶液进行水热反应,离心,洗涤,真空干燥,得到三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料。
上述的制备方法,进一步改进的,步骤S2中,所述锡源、铟源、硫源与所述氧化石墨烯混合液中的氧化石墨烯的质量比为0.4~0.5∶1.5~1.6∶1∶0.01~0.06。
上述的制备方法,进一步改进的,所述锡源为SnCl4·5H2O;所述铟源为InCl3·4H2O或In(NO3)3·5H2O;所述硫源为硫脲或硫代乙酰胺。
上述的制备方法,进一步改进的,步骤S1中,所述超声剥离的时间为0.5 h~1 h;
和/或,步骤S2中,所述搅拌的时间为10 min~30min;
和/或,步骤S3中,所述水热反应的温度为120 ℃~160 ℃;所述水热反应的时间为10 h~14 h;所述洗涤采用的是无水乙醇和水;所述真空干燥的温度为60℃~100℃;所述真空干燥的干燥时间为3h~6 h。
作为一个总的技术构思,本发明还提供了一种上述的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料在处理染料废水中的应用。
上述的应用,进一步改进的,包括以下步骤:将三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料与染料废水混合,在黑暗条件下进行振荡吸附,达到吸附平衡后,在光照射下进行光催化降解,完成对染料废水的处理;所述三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的添加量为每升所述染料废水中添加所述三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料100mg~300 mg。
上述的应用,进一步改进的,所述染料废水中的染料为罗丹明B;所述染料废水中染料的浓度为17 mg/L~61mg/L;
和/或,所述振荡吸附的时间为10min~60min;
和/或,所述光催化降解在波长>420nm的可见光下进行;
和/或,所述光催化降解的时间为5 min~25min。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、本发明提供了一种三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料,包括三元金属硫化物和还原氧化石墨烯,其中三元金属硫化物为Sn0.215In0.38S,是一种等级多孔微球,由纳米片相互交织而组成,具有对污染物吸附容量大、传质效率高等优点,在此基础上,将Sn0.215In0.38S生长在还原氧化石墨烯表面,还原氧化石墨烯不仅能迅速将Sn0.215In0.38S导带上的电子捕获,提高光生电荷的传导与分离效率,还能拓展Sn0.215In0.38S对可见光的吸收范围、增强对可见光的吸收强度,提升光催化性能、稳定性和抗光腐蚀能力,以及提升对高浓度废水适用性。本发明的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料具有吸附容量大、传质效率高、对可见光吸收范围广、吸收强度高、光生电荷传导与分离效率高、光催化性能好、稳定性和抗光腐蚀能力强、对高浓度废水适用性强、循环利用性好等优点。
2、本发明还提供了一种三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法,利用氧化石墨烯表面的含氧官能团将水溶液中的金属源中的金属离子In3+和Sn4+吸附至氧化石墨烯纳米片表面,进而在水热作用下,金属离子与硫化物反应,成核生长结晶,同时,氧化石墨烯表面的含氧官能团被去除,得到Sn0.215In0.38S/还原氧化石墨烯复合材料。本发明中,利用氧化石墨烯表面的含氧官能团先与金属离子In3+和Sn4+结合,所形成的复合材料中Sn0.215In0.38S呈多孔微球结构、尺寸介于2μm~10μm之间,且与还原氧化石墨烯的结合牢固。
3、本发明的制备方法中,采用简单的水热合成法制备复合材料,具有反应条件容易控制、操作方法简单、制备过程中没有使用任何有机溶剂、无二次污染、环保效益好的优点。
4、本发明还提供了一种处理染料废水的方法,采用本发明的Sn0.215In0.38S/还原氧化石墨烯复合材料处理染料废水,具有去除率高、操作方便、成本低廉、无二次污染等优点。以罗丹明B染料废水为例,将Sn0.215In0.38S/还原氧化石墨烯复合材料用于处理水体中的罗丹明B,表现出极高的吸附-光催化性能,其中对罗丹明B的最大吸附量可到达184.7mg/g,最大降解率可达到97.2%。可见,本发明Sn0.215In0.38S/还原氧化石墨烯复合材料可广泛应用于废水中染料的毒性消除与无害处理,对开发金属硫化物、石墨烯基的材料以及应用于环境领域具有十分重要的意义。
附图说明
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中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例1中制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的扫描电镜图。
图2为本发明实施例1中制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的透射电镜图。
图3为本发明实施例1制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)、对比例1制得的三元金属硫化物材料(SIS)和对比例2制得的还原氧化石墨烯材料(RGO)的XRD图。
图4为本发明实施例1制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)、对比例1制得的三元金属硫化物材料(SIS)和对比例2制得的还原氧化石墨烯材料(RGO)的紫外-可见光漫反射吸收光谱图。
图5为本发明实施例1制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)、对比例1制得的三元金属硫化物材料(SIS)和对比例2制得的还原氧化石墨烯材料(RGO)的光生表面光电流图。
图6为本发明实施例4中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(分别为SIS/RGO-1%、SIS/RGO-2.5%和SIS/RGO-5%)、三元金属硫化物材料(SIS)、还原氧化石墨烯材料(RGO)对罗丹明B吸附量随时间变化的关系图。
图7为本发明实施例4中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(分别为SIS/RGO-1%、SIS/RGO-2.5%和SIS/RGO-5%)、三元金属硫化物材料(SIS)、还原氧化石墨烯材料(RGO)对罗丹明B降解残留率随时间变化的关系图。
图8为本发明实施例5中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)对不同浓度罗丹明B吸附量随时间变化的关系图。
图9为本发明实施例5中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)对不同浓度罗丹明B降解残留率随时间变化的关系图。
图10为本发明实施例6中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)循环降解罗丹明B的降解效果图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述,但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的原料和仪器均为市售。以下实施例中,若无特别说明,所得数据均是三次以上重复实验的平均值。
实施例1
一种三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料,包括三元金属硫化物Sn0.215In0.38S和还原氧化石墨烯,三元金属硫化物Sn0.215In0.38S生长在还原氧化石墨烯表面。
本实施例中,该三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料中还原氧化石墨烯的质量含量为2.5%。
本实施例中,Sn0.215In0.38S为多孔微球,该多孔微球由纳米片相互交织而组成,呈多孔球状结构,其中多孔微球的直径为2μm~10μm。
一种上述本实施例中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)称取10.5 mg氧化石墨烯,置于40mL超纯水中,超声剥离30min,得到氧化石墨烯混合液。
(2)向步骤(1)中得到的氧化石墨烯混合液中加入178mg SnCl4·5H2O、587 mgInCl3·4H2O,待SnCl4·5H2O和InCl3·4H2O溶解后,加入380mg硫脲,在常温下搅拌30min,得到无色透明的前驱体溶液。
(3)将步骤(2)中的前驱体溶液转移至100mL的不锈钢高压反应釜中,在烘箱中于140℃下进行高温水热反应12h。
(4)待步骤(3)中的水热反应结束后,将产物于5000rpm条件下离心10 min,用无水乙醇和超纯水洗涤离心后的固体物质,并将所得固体物质置于真空干燥箱中,于80℃真空干燥4h,得到三元金属硫化物(Sn0.215In0.38S)/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO),标号为SIS/RGO-2.5%。
对比例1
一种Sn0.215In0.38S材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将178mg SnCl4·5H2O、587 mg InCl3·4H2O加入到40mL超纯水中,待其溶解后,加入380mg硫脲,在常温下搅拌30min,得到无色透明的前驱体溶液。
(2)将步骤(1)中的前驱体溶液转移至100mL的不锈钢高压反应釜中,在烘箱中于140℃下进行高温水热反应12h。
(3)待步骤(2)中的水热反应结束后,将产物于5000rpm条件下离心10 min,用无水乙醇和超纯水洗涤离心后的固体物质,并将所得固体物质置于真空干燥箱中,于80℃干燥4h,得到三元金属硫化物材料(Sn0.215In0.38S),标号为SIS。
对比例2
一种还原氧化石墨烯材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)称取10.5 mg氧化石墨烯,置于40mL超纯水中,超声剥离30min,得到氧化石墨烯混合液。
(2)将步骤(1)中的氧化石墨烯混合液转移至100mL的不锈钢高压反应釜中,在烘箱中于140℃下进行高温水热反应12h。
(2)待步骤(2)中的水热反应结束后,将产物于5000rpm条件下离心10 min,用无水乙醇和超纯水洗涤离心后的固体物质,并将所得固体物质置于真空干燥箱中,于80℃干燥4h,得到还原氧化石墨烯复合材料,标号为RGO。
将本发明实施例1制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料进行扫描电镜、透射电镜分析,结果如图1和图2所示。图1为本发明实施例1中制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的扫描电镜图。图2为本发明实施例1中制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的透射电镜图。由图1和图2可知,本发明的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料中,Sn0.215In0.38S与还原氧化石墨烯紧密的结合在一起且Sn0.215In0.38S生长结晶在还原氧化石墨烯表面,其中Sn0.215In0.38S为多孔微球。该多孔微球由许多2D的纳米片(该纳米片是指Sn0.215In0.38S纳米片)相互交织而组成,呈多孔球状结构,其中Sn0.215In0.38S多孔微球的直径为2μm~10μm。
将本发明实施例1制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料、对比例1制得的三元金属硫化物材料和对比例2制得的还原氧化石墨烯材料进行X射线衍射图谱分析,结果如图3所示。图3为本发明实施例1制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)、对比例1制得的三元金属硫化物材料(SIS)和对比例2制得的还原氧化石墨烯材料(RGO)的XRD图。由图3可知,还原氧化石墨烯材料在2θ = 13.2ο和23.7ο有两个衍射峰,分别对应0. 67 nm和0.375nm的层间距,说明氧化石墨烯被还原成了还原氧化石墨烯。Sn0.215In0.38S材料和Sn0.215In0.38S/还原氧化石墨烯复合材料在2θ为18.5ο、28.6ο、33.2ο、48.4ο和50.3ο处都有衍射峰,分别对应Sn0.215In0.38S的四方相晶体的(200)、(202)、(600)、(602)和(174)晶面,说明Sn0.215In0.38S在还原氧化石墨烯表面良好的成核生长和结晶。
将本发明实施例1制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料、对比例1制得的三元金属硫化物材料和对比例2制得的还原氧化石墨烯材料进行紫外-可见光漫反射吸收光谱分析,结果如图4所示。图4为本发明实施例1制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)、对比例1制得的三元金属硫化物材料(SIS)和对比例2制得的还原氧化石墨烯材料(RGO)的紫外-可见光漫反射吸收光谱图。由图4可知,Sn0.215In0.38S/还原氧化石墨烯复合材料对可见光具有很强的吸收性能,较单体Sn0.215In0.38S材料而言,其在大于500nm的可见光吸收明显增强,这有利于光生电荷的产生,同时,Sn0.215In0.38S/还原氧化石墨烯复合材料展示了对可见光吸收的红移,其禁带宽度由1.90 eV减少至0.72eV,拓展了其可见光吸收边缘。
将本发明实施例1制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料、对比例1制得的三元金属硫化物材料和对比例2制得的还原氧化石墨烯材料进行光生表面光电流分析,结果如图5所示。图5为本发明实施例1制得的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)、对比例1制得的三元金属硫化物材料(SIS)和对比例2制得的还原氧化石墨烯材料(RGO)的光生表面光电流图。由图5可知,Sn0.215In0.38S/还原氧化石墨烯复合材料在可见光照射下产生的光电流明显高于单体Sn0.215In0.38S,这说明将Sn0.215In0.38S与还原氧化石墨烯复合后,不仅改善了材料的吸光性,而且使得材料的光生电荷转移和分效率也得到了提升,进而增加光催化性能。
实施例2
一种三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料,与实施例1中三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料基本相同,不同之处为:实施例2中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料中还原氧化石墨烯的质量含量为1%。
一种上述本实施例中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法,与实施例1中三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法基本相同,不同之处为:实施例2的步骤(1)中氧化石墨烯的用量为4.2 mg。
实施例2中制得的三元金属硫化物(Sn0.215In0.38S)/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO),标号为SIS/RGO-1%。
实施例3
一种三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料,与实施例1中三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料基本相同,不同之处为:实施例3中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料中还原氧化石墨烯的质量含量为5%。
一种上述本实施例中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法,与实施例1中三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法基本相同,不同之处为:实施例3的步骤(1)中氧化石墨烯的用量为20.9 mg。
实施例3中制得的三元金属硫化物(Sn0.215In0.38S)/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO),标号为SIS/RGO-5%。
实施例4
一种三元金属硫化物(Sn0.215In0.38S)/还原氧化石墨烯复合材料在耦合吸附-光催化处理染料废水中的应用,包括以下步骤:
分别称取20mg实施例1~3中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(分别为SIS/RGO-1%、SIS/RGO-2.5%和SIS/RGO-5%)、对比例1中的三元金属硫化物材料(SIS)、对比例2中的还原氧化石墨烯材料(RGO),分别加入到100 mL、浓度为46.9 mg/L的罗丹明B(RhB)水溶液中,在黑暗条件下振荡吸附1h,达到吸附平衡,然后在波长>420nm的可见光照射下进行光催化降解25min,完成对罗丹明B水溶液的吸附-光催化处理。
将光催化降解结束后得到的反应溶液离心分离,采用紫外吸光光度法于波长554nm处测定滤液中的罗丹明B含量,并计算出不同材料对罗丹明B的吸附量和光催化降解残留率,结果如图6和7所示。
图6为本发明实施例4中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(分别为SIS/RGO-1%、SIS/RGO-2.5%和SIS/RGO-5%)、三元金属硫化物材料(SIS)、还原氧化石墨烯材料(RGO)对罗丹明B吸附量随时间变化的关系图。由图6可知,SIS、RGO、SIS/RGO-1%、SIS/RGO-2.5%和SIS/RGO-5%对RhB的吸附量分别为119.3 mg/g、30.3 mg/g、176.7 mg/g、184.7mg/g和134.0 mg/g,表明本发明三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料拥有较好的吸附效率,吸附过程符合二级反应动力学方程,其中标号为SIS/RGO-2.5%的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料拥有最高的吸附效率。另外,SIS、RGO、SIS/RGO-1%、SIS/RGO-2.5%和SIS/RGO-5%对RhB的传质效率分别为7.91 mg·g-1·min-0.5、2.89 mg·g-1·min-0.5、8.09mg·g-1·min-0.5、8.64 mg·g-1·min-0.5和6.03 mg·g-1·min-0.5。可见,本发明三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料拥有较好的传质效率,其中标号为SIS/RGO-2.5%的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料拥有最高的传质效率。
图7为本发明实施例4中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(分别为SIS/RGO-1%、SIS/RGO-2.5%和SIS/RGO-5%)、三元金属硫化物材料(SIS)、还原氧化石墨烯材料(RGO)对罗丹明B降解残留率随时间变化的关系图。由图7可知,SIS、RGO、SIS/RGO-1%、SIS/RGO-2.5%和SIS/RGO-5%在可见光下对RhB的降解残留率分别为42.2%、96.8%、20.5%、3.7%和5.6%,对应的降解率为57.8%、3.2%、79.5%、96.3%和94.4%,降解速率分别为0.034min-1、0.001 min-1、0.063 min-1、0.137 min-1和0.120 min-1,这表明本发明三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料拥有较好的光催化性能,其中SIS/RGO-2.5%的降解速率是单体Sn0.215In0.38S的4.03倍。
实施例5
一种三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料在耦合吸附-光催化处理染料废水中的应用,包括以下步骤:
称取6份实施例1中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%),每份20mg,分别加入到100mL浓度为17.4mg/L、26.1mg/L、34.8mg/L、43.5mg/L、52.2mg/L和 60.9 mg/L的罗丹明B水溶液中,在黑暗条件下振荡吸附1h,达到吸附平衡,然后在波长>420nm的可见光照射下光催化降解25min,完成对罗丹明B水溶液的吸附-光催化处理。
将光催化降解结束后得到的反应溶液离心分离,采用紫外吸光光度法于波长554nm处测定滤液中的罗丹明B含量,并计算出三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)对不同浓度罗丹明B的吸附量和光催化降解残留率,所得结果如图8和9所示。
图8为本发明实施例5中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)对不同浓度罗丹明B吸附量随时间变化的关系图。图9为本发明实施例5中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)对不同浓度罗丹明B降解残留率随时间变化的关系图。
由图8可知,SIS/RGO-2.5%对罗丹明B的吸附量随浓度增加而增加,其吸附过程复合朗格缪尔吸附等温模型,最大吸附量为184.7mg/g。由图9可知,SIS/RGO-2.5%对罗丹明B的降解残留率随浓度的增加先降后增,对应的降解率则先增后降,在罗丹明B的浓度为34.8mg/L时,降解残留率为2.8%,此时对应的最佳降解率为97.2%。
实施例6
考察本发明三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的稳定性,包括以下步骤:
(1)称取20mg实施例1中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%),加入到100mL浓度为46.9 mg/L的罗丹明B水溶液中,在黑暗条件下振荡吸附1h,达到吸附平衡,然后在波长>420nm的可见光照射下进行光催化降解25min,完成对罗丹明B水溶液的吸附-光催化处理。
(2)步骤(1)中的处理完成后,收集三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料,并用超纯水洗净,在80℃下真空干燥。
(3)采用与步骤(1)相同的处理方法,重复使用步骤(2)中干燥后得到的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料对罗丹明B水溶液进行处理,共进行3次重复试验。
将每次光催化降解结束后得到的反应溶液离心分离,采用紫外吸光光度法于波长554nm处测定滤液中的罗丹明B含量,并计算出循环的SIS/RGO-2.5%对罗丹明B的光催化降解残留率,所得结果如图10所示。
图10为本发明实施例6中的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料(SIS/RGO-2.5%)循环降解罗丹明B的降解效果图。由图10可知,本发明SIS/RGO-2.5%经吸附-光催化的循环利用4次后,对罗丹明B的可见光催化降解效率仍为81.3%,这说明本发明三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料具有较好的稳定性,还原氧化石墨烯能将光生电子快速转移,抑制了材料的光腐蚀。
综上可知,本发明的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料具有吸附容量大、传质效率高、对可见光吸收范围广、吸收强度高、光生电荷传导与分离效率高、光催化性能好、稳定性和抗光腐蚀能力强、对高浓度废水适用性强、循环利用性好等优点,其制备方法具有反应条件容易控制、操作方法简单、制备过程中没有使用任何有机溶剂、无二次污染、环保效益好的优点。将本发明的Sn0.215In0.38S/还原氧化石墨烯复合材料处理染料废水,具有去除率高、操作方便、成本低廉、无二次污染等优点,可广泛应用于废水中染料的毒性消除与无害处理,对开发金属硫化物、石墨烯基的材料以及应用于环境领域具有十分重要的意义。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料,其特征在于,包括三元金属硫化物和还原氧化石墨烯,所述三元金属硫化物为Sn0.215In0.38S;所述Sn0.215In0.38S生长在所述还原氧化石墨烯表面;所述三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料中所述还原氧化石墨烯的质量百分含量为2.5%。
2.根据权利要求1中所述的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料,其特征在于,所述Sn0.215In0.38S为多孔微球;所述多孔微球由纳米片相互交织而组成,呈多孔球状结构;所述多孔微球的直径为2μm~10μm。
3.一种如权利要求1或2所述的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将氧化石墨烯与水混合,超声剥离,得到氧化石墨烯混合液;
S2、将锡源、铟源和硫源与所述步骤S1中的氧化石墨烯混合液混合,搅拌,得到前驱体溶液;所述锡源、铟源、硫源与所述氧化石墨烯混合液中的氧化石墨烯的质量比为178∶587∶380∶10.5;
S3、将所述前驱体溶液进行水热反应,离心,洗涤,真空干燥,得到三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述锡源为SnCl4·5H2O;所述铟源为InCl3·4H2O或In(NO3)3·5H2O;所述硫源为硫脲或硫代乙酰胺。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法,其特征在于,步骤S1中,所述超声剥离的时间为0.5 h~1 h;
和/或,步骤S2中,所述搅拌的时间为10 min~30min;
和/或,步骤S3中,所述水热反应的温度为120 ℃~160 ℃;所述水热反应的时间为10h~14 h;所述洗涤采用的是无水乙醇和水;所述真空干燥的温度为60℃~100℃;所述真空干燥的干燥时间为3h~6 h。
6.一种如权利要求1或2所述的三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料在处理染料废水中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于,包括以下步骤:将三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料与染料废水混合,在黑暗条件下进行振荡吸附,达到吸附平衡后,在光照射下进行光催化降解,完成对染料废水的处理;所述三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料的添加量为每升所述染料废水中添加所述三元金属硫化物/还原氧化石墨烯复合材料100mg~300 mg。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,所述染料废水中的染料为罗丹明B;所述染料废水中染料的浓度为17 mg/L~61mg/L;
和/或,所述振荡吸附的时间为10min~60min;
和/或,所述光催化降解在波长>420nm的可见光下进行;
和/或,所述光催化降解的时间为5 min~25min。
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