CN113441141A - 一种BiOBr/MgFe2O4催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种BiOBr/MgFe2O4催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及催化剂技术领域，特别涉及一种BiOBr/MgFe2O4催化剂及其制备方法和应用。取FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O，将二者分别溶解于NaOH中，再混合均匀，进行水热反应，制得MgFe2O4纳米材料；将MgFe2O4均匀分散于KBr中，标记为溶液A；取Bi(NO3)3·5H2O溶解于CH3COOH，标记为溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀，制得混悬液；将混悬液放入高压反应釜中，进行恒温反应，冷却、洗涤、干燥、研磨得到目标产物。本发明所述的BiOBr/MgFe2O4催化剂对四环素的去除率达到92.97±1.15％，操作方法简单，具备实际应用性。

Description

一种BiOBr/MgFe2O4催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及催化剂技术领域，特别涉及一种BiOBr/MgFe2O4催化剂及其制备方法和应用。
技术背景
四环素是光谱抗生素的一种，对非典型生物体、革兰氏阳性、革兰氏阴性细菌等表现出显著活性。在实际的应用中，四环素的残留物会不断地排放到环境中，导致出现细菌耐药性的危害。然而，传统的处理方法对该类抗生素去除不充分，仍会对人类和生态系统造成潜在危害。因此，迫切需要一种有效的处理方法来解决抗生素的去除问题。超声催化氧化法对解决这一问题具有突出优势，它可以非选择性地作用于有机污染物，使有机污染物氧化形成水、二氧化碳和无机盐等对环境友好的物质，处理方法简单，没有二次污染，从根本上解决四环素污染物的治理问题。
BiOBr/MgFe2O4是一种具有p-n异质结结构的复合材料。它具有高度的化学稳定性和良好的声催化活性，可以重复利用。将其作为声催化剂，进而与超声技术联用建立一个具有高度声催化活性的系统。使用该系统处理水中四环素污染物具有巨大的应用潜力。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了及一种BiOBr/MgFe2O4催化剂及其制备方法和应用。本发明是通过以下技术方案实现的：一种BiOBr/MgFe2O4催化剂，制备方法包括如下步骤：
1)MgFe2O4的制备：取FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O，将二者分别溶解于NaOH中，再混合均匀，进行水热反应，制得MgFe2O4纳米材料；
2)BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备：取步骤一得到的MgFe2O4均匀分散于KBr中，标记为溶液A；取Bi(NO3)3·5H2O溶解于CH3COOH，标记为溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀，制得混悬液；将混悬液放入高压反应釜中，进行恒温反应，冷却、洗涤、干燥、研磨得到目标产物。
上述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备方法，步骤1)中，按摩尔比，FeCl3·6H2O：MgCl2·6H2O＝1:2。
上述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备方法，步骤1)中，所述的NaOH的浓度为1mol/L，FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O分别溶于30mLNaOH中。
上述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备方法，步骤1)中，所述的水热反应的条件为在453K条件下水热合成24h。
上述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备方法，步骤2)中，所述的恒温反应的条件为在393K条件下恒温反应6h。
上述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备方法，步骤2)中，按质量比，MgFe2O4和Bi(NO3)3·5H2O为13：1。
上述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂作结合超声在降解废水中四环素的应用。
上述的应用，向含有四环素的废水中加入权利要求1所述的BiOBr/MgFe2O4催化剂，超声时间90min，超声功率500W，超声频率为40kHz。
上述的应用，所述是BiOBr/MgFe2O4催化剂的加入量为2.0g/L。
上述的应用，四环素的初始浓度为20mg/L。
本发明的有益效果是：
本发明使用一步原位水热法合成BiOBr/MgFe2O4异质结(BM-n)复合材料，并对其表征分析其结构特点。将BiOBr/MgFe2O4催化剂作为声催化剂，与超声技术联合使用，用于去除水中四环素污染物。该方法操作简便，条件简单，对污染物去除效率高且具有很大的实际应用性。
附图说明
图1为制备的不同质量比例的BiOBr/MgFe2O4催化剂的X-射线衍射(XRD)谱图。
图2为制备的不同质量比例的BiOBr/MgFe2O4催化剂的扫描电镜(SEM)谱图。
其中，A：10％BiOBr/MgFe2O4；B：20％BiOBr/MgFe2O4；C：30％BiOBr/MgFe2O4；D：30％BiOBr/MgFe2O4；E：40％BiOBr/MgFe2O4
图3为使用不同质量比例的BiOBr/MgFe2O4催化剂，加入量为0.5g/L条件下超声催化降解四环素的效果图。
图4为使用20％的BiOBr/MgFe2O4催化剂，加入量为2.0g/L条件下超声催化降解四环素的效果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1 BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备方法，包括以下步骤：
1)MgFe2O4的制备：使用电子天平精密称取2.70g FeCl3·6H2O和1.02g MgCl2·6H2O,将二者分别溶解于30ml NaOH(CNaOH＝1mol/L)中，形成悬浮液。将上述两份悬浮液充分混合，在剧烈磁力搅拌下混合30min，搅拌结束后，再放入数控超声波清洗器中超声处理30min，将悬浮液置于高压反应釜中，在453K恒定温度下持续反应24h。反应釜充分冷却至室温后，使用去离子水和无水乙醇分别洗涤并抽滤三至五次。最后，将固体在333K温度下真空干燥2h，将制得样品充分研磨、装样备用。
2)BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备：称取0.25g步骤一方法合成的MgFe2O4均匀分散于60ml KBr(CKBr＝0.17g/L)中，标记为溶液A。取0.004g Bi(NO3)3·5H2O溶解于6ml CH3COOH，标记为溶液B。将溶液A和溶液B混合均匀，磁力搅拌30min，再超声混合30min，制得混悬液。将混悬液放入高压反应釜中，在393K条件下恒温反应6h。反应釜静置冷却，将产物使用去离子水抽滤洗涤五次，再使用无水乙醇抽滤洗涤五次。将沉淀置于真空干燥箱中，再333K温度下干燥2h，充分研磨，制得质量比例为20％的BiOBr/MgFe2O4催化剂，命名为“BM-20”。同理，根据实验需要，改变KBr的投入量(10mg,30mg,40mg,50mg)和Bi(NO3)3·5H2O的投入量(40mg,120mg,160mg,200mg)，分别制得负载率为10％、30％、40％、50％的BiOBr/MgFe2O4催化剂，分别对应命名为“BM-10”、“BM-30”、“BM-40”、“BM-50”。
实施例2 BiOBr/MgFe2O4催化剂的结构分析
用X-射线衍射分析了BiOBr/MgFe2O4催化剂的晶体结构。在30.1°,35.4°,57.0°,62.5°处出现纯MgFe2O4的一系列特征峰，分别归属于MgFe2O4(JCPDS No.71-1232)的(220)，(311)，(511)，(440)晶面。说明通过本水热法成功制备了主要成分为MgFe2O4的样品。在22.13°,25.21°,31.69°,32.27°,39.35°,46.29°,50.70°,57.25°附近,对应于BiOBr(JCPDSNo.78-0348)的(002)，(101)，(102)，(110)，(112)，(200)，(104)，(212)晶面的标准衍射峰，表明样品仅有BiOBr和MgFe2O4组成，成功制备了纯相的BiOBr/MgFe2O4催化剂。
采用扫描电镜表征了不同复合比的BiOBr/MgFe2O4形貌和微观结构。如图2A-图2E，BiOBr颗粒在MgFe2O4聚集过程中呈现良好的分散性，BiOBr呈粒子状态附着在MgFe2O4表面，并且随着复合比例的增大，附着在MgFe2O4表面的颗粒逐渐致密。可以看出，BiOBr和纳米片状MgFe2O4成功复合，该催化剂丰富的凹凸结构提高了纯相MgFe2O4的比表面积，形貌的改变对提高催化剂的声催化活性至关重要。
实施例3 BiOBr/MgFe2O4催化剂声催化降解四环素
1)使用一定量的BiOBr/MgFe2O4催化剂(5-20mg)和10ml的TET溶液(20mg/L)在烧杯中混合均匀。
2)将上述混悬液磁力搅拌30min以确保二者达到吸附和解析附平衡的状态，将烧杯放入超声波清洗器(功率为500W,频率为40kHz)中声催化处理TET 90min，将降解后的混悬液离心，取上清液过滤处理。在λmax＝357nm处测量其吸光度，从而计算四环素的去除率。如图3，催化剂加入量为0.5g/L条件下，“Degradation”是超声和催化剂协同作用下对四环素的去除效果，“Adsorption”是仅有催化剂而没有超声作用下对四环素的去除效果。可见，当使用质量比例为20％的BiOBr/MgFe2O4声催化剂对四环素的去除效果最佳。如图4，“US”为只有超声且没有任何催化剂条件下对四环素的降解效果；“US+MgFe2O4”为超声和MgFe2O4声催化剂协同作用下对四环素的降解效果；“US+BM-20”为超声和20％BiOBr/MgFe2O4声催化剂协同作用下对四环素的降解效果。可见，提升催化剂加入量至2.0g/L，反应90min后，20％BiOBr/MgFe2O4声催化剂存在下的降解效率明显高于其他条件，对四环素的去除效果达到92.97±1.15％，具备显著的声催化活性。

Claims (10)

1.一种BiOBr/MgFe2O4催化剂，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
1)MgFe2O4的制备：取FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O，将二者分别溶解于NaOH中，再混合均匀，进行水热反应，制得MgFe2O4纳米材料；
2)BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备：取步骤一得到的MgFe2O4均匀分散于KBr中，标记为溶液A；取Bi(NO3)3·5H2O溶解于CH3COOH，标记为溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀，制得混悬液；将混悬液放入高压反应釜中，进行恒温反应，冷却、洗涤、干燥、研磨得到目标产物。
2.根据权利要求1所述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，按摩尔比，MgCl2·6H2O和FeCl3·6H2O＝1:2。
3.根据权利要求2所述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的NaOH的浓度为1mol/L，FeCl3·6H2O和MgCl2·6H2O分别溶于30mLNaOH中。
4.根据权利要求3所述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的水热反应的条件为在453K条件下水热合成24h。
5.根据权利要求4所述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的恒温反应的条件为在393K条件下恒温反应6h。
6.根据权利要求5所述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，按质量比，MgFe2O4和Bi(NO3)3·5H2O为13：1。
7.权利要求1所述的一种BiOBr/MgFe2O4催化剂作结合超声在降解废水中四环素的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，向含有四环素的废水中加入权利要求1所述的BiOBr/MgFe2O4催化剂，超声时间90min，超声功率500W，超声频率为40kHz。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述是BiOBr/MgFe2O4催化剂的加入量为2.0g/L。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，四环素的初始浓度为20mg/L。
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