CN114405527A - 一种具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法及其应用 - Google Patents

一种具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114405527A
CN114405527A CN202210042884.1A CN202210042884A CN114405527A CN 114405527 A CN114405527 A CN 114405527A CN 202210042884 A CN202210042884 A CN 202210042884A CN 114405527 A CN114405527 A CN 114405527A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mxene
heme
mof
composite photocatalyst
heating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210042884.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114405527B (zh
Inventor
赵祯霞
胡阳
赵钟兴
余鑫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangxi University
Original Assignee
Guangxi University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangxi University filed Critical Guangxi University
Priority to CN202210042884.1A priority Critical patent/CN114405527B/zh
Publication of CN114405527A publication Critical patent/CN114405527A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114405527B publication Critical patent/CN114405527B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/20Carbon compounds
    • B01J27/22Carbides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/16Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing coordination complexes
    • B01J31/1691Coordination polymers, e.g. metal-organic frameworks [MOF]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/16Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing coordination complexes
    • B01J31/22Organic complexes
    • B01J31/2204Organic complexes the ligands containing oxygen or sulfur as complexing atoms
    • B01J31/2208Oxygen, e.g. acetylacetonates
    • B01J31/2226Anionic ligands, i.e. the overall ligand carries at least one formal negative charge
    • B01J31/223At least two oxygen atoms present in one at least bidentate or bridging ligand
    • B01J31/2239Bridging ligands, e.g. OAc in Cr2(OAc)4, Pt4(OAc)8 or dicarboxylate ligands
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/30Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J35/39Photocatalytic properties
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/30Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/722Oxidation by peroxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/725Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation by catalytic oxidation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2531/00Additional information regarding catalytic systems classified in B01J31/00
    • B01J2531/80Complexes comprising metals of Group VIII as the central metal
    • B01J2531/84Metals of the iron group
    • B01J2531/842Iron
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00Nature of the contaminant
    • C02F2101/30Organic compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2305/00Use of specific compounds during water treatment
    • C02F2305/02Specific form of oxidant
    • C02F2305/026Fenton's reagent
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2305/00Use of specific compounds during water treatment
    • C02F2305/10Photocatalysts
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/30Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies
    • Y02W10/37Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using solar energy

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法及其应用。该方法首先将MXene材料分散到水中,再将一定质量比的抗坏血酸和六水合三氯化铁加入分散液中,然后水热反应得到Fe锚点修饰的MXene;再将其分散到乙醇中,加入一定质量比的原卟啉并进行机械球磨反应,得到具有类血红素结构的MXene;然后将具有类血红素结构的MXene重新分散到水中,并加入一定质量比的九水合硝酸铁和均苯三酸进行水热反应,得到具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合材料。本发明通过类血红素结构的修饰,显著提升催化剂的氧气捕获能力和导电能力,提升了催化剂原位产生H2O2的性能,最终对水体有机污染物噻虫啉实现高效降解和矿化。

Description

一种具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制 备方法及其应用
技术领域
本发明属于新型功能材料领域,具体涉及一种具有类血红素结构的 MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法及其应用。
背景技术
光芬顿催化技术作为一种高级氧化技术,由于其简便的操作方式以及高效的净化能力,在水体有机污染物降解领域应用广泛。该技术使用铁基光催化剂与 H2O2发生芬顿反应,产生强氧化性的羟基自由基来降解水体有机污染物。然而,传统的光-芬顿反应需要添加数倍于污染物的H2O2作为反应助剂,反应过程中残留的H2O2极易对水体形成二次污染。为了降低H2O2的添加量以减缓二次污染,有研究人员尝试通过溶解氧的双电子还原反应(O2+2e-+2H+→H2O2)原位产生H2O2触发芬顿反应。
金属有机骨架(Metal-organic framework,MOF)是一种由金属离子和有机配体通过配位键连接而成的具有周期性孔隙结构的多孔材料。由于其具有比表面积大,高分散的金属位点以及结构可调易修饰等优点,MOF材料已经成为光芬顿催化剂领域的研究热点之一。然而,由于MOF较差的捕氧能力和导电能力,导致其原位产生H2O2能力弱,难以实现对水体有机污染物的快速降解和高效矿化。
碳化钛(MXene)是一类具有层状结构的过渡金属碳化物,因其具有类金属的高导电结构和高功函数的特性,可作为一种助催化剂提升半导体光催化剂的导电能力和载流子分离能力,促进活性自由基的快速生成,最终提升半导体光催化剂的催化降解性能。
发明内容
针对MOF材料在光照下原位产生H2O2能力差,导致其在零添加H2O2环境中降解矿化性能差的关键技术难题,本发明提供了一种类血红素MXene复合 MOF(Fe)光芬顿催化剂的制备方法。该方法具体是采用金属置换的方式将Fe锚点嵌入到MXene骨架结构中,随后通过机械球磨引入原卟啉修饰Fe锚点,得到具有类血红素结构的MXene,最后加入金属源和配体继续水热生长MOF(Fe),制备出具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂,该材料可在光照下通过原位产生H2O2和光芬顿反应实现对有机污染物的高效降解。
本发明通过以下技术方案实现:
一种具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)Fe锚点修饰MXene的制备:将MXene材料分散在水中,加入抗坏血酸和六水合三氯化铁,超声分散得到悬浮液;将上述悬浮液转移至反应釜中加热反应;反应结束后将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到Fe锚点修饰的 MXene粉末;
(2)类血红素结构MXene的制备:将步骤(1)得到的Fe锚点修饰的MXene 粉末分散到乙醇中,再加入原卟啉,然后将混合液转移至机械球磨罐,进行球磨反应,反应结束后收集球磨罐中的固体粉末,得到具有类血红素结构的MXene 粉末;
(3)类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备:将步骤(2) 得到的类血红素结构的MXene粉末分散到水中,并加入九水合硝酸铁和均苯三酸,搅拌均匀后转移至高压反应釜加热生长MOF(Fe),然后离心洗涤并干燥,得到类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂。
作为本发明的进一步优选,步骤(1)中,所述MXene与抗坏血酸的质量比为1:0.1~0.8,MXene与六水合三氯化铁的质量比为1:1.2~2.2,超声时间为 20~80min。
作为本发明的进一步优选,步骤(1)中,所述加热反应均采用程序升温烘箱,具体温度控制过程为:
(a)升温过程:以1~3℃/min的升温速率升温至100~160℃;
(b)恒温过程:置于100~160℃保持1~6h;
(c)降温过程:恒温过程结束后从程序升温烘箱中取出,自然冷却至室温。
作为本发明的进一步优选,步骤(2)中,所述Fe锚点修饰的MXene粉末与原卟啉的质量比为1:1.5~2.7,球磨时间为15~60min。
作为本发明的进一步优选,步骤(3)中,所述类血红素结构的MXene粉末与九水合硝酸铁的质量比为1:3.5~4.5,类血红素结构的MXene粉末与均苯三酸的质量比为1:2.2~3.0。
作为本发明的进一步优选,步骤(3)中,所述加热生长MOFs均采用程序升温烘箱,具体温度控制过程为:
(a)升温过程:以5~8℃/min的升温速率升温至150~200℃;
(b)恒温过程:置于150~200℃保持24~36h;
(c)降温过程:恒温过程结束后从程序升温烘箱中取出,自然冷却至室温。
本发明获得的类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂具有优异的导电能力,其阻抗仅为100~300Ω。
本方法制备的复合光催化剂原位产生H2O2能力强,通过光芬顿反应能够高效降解有机污染物。
本发明的技术原理:
本发明首先将MXene材料和六水合三氯化铁分散在水中,在抗坏血酸和水热反应的作用下,Fe与MXene结构中的Ti原子发生金属置换反应,Fe锚点嵌入到MXene结构中。再通过Fe锚点与原卟啉分子配位,形成独特的类血红素结构,最后加入九水合硝酸铁和均苯三酸继续水热生长MOF(Fe)。
类血红素结构与生物血红蛋白的活性成分具有极为相似的化学分子,具有很强的氧气捕获能力,因此类血红素结构显著增强了光催化剂催化位点附近的氧气浓度,进而加快溶解氧的双电子还原反应(O2+2e-+2H+→H2O2),提升了原位产生H2O2数量,最终提升了光芬顿反应速率,实现对有机污染物的高效降解矿化。此外,类血红素结构中的C-Fe-N连接,增强了MOF(Fe)和MXene界面电子传递能力,促使光生电子-空穴对的快速分离,更多的光生电子参与到原位H2O2的产生,有助于有机污染物的降解矿化。另一方面,类血红素结构中的五元杂环,能够与有机污染物分子间形成π-π作用,提升了复合光催化剂对有机污染物分子的吸附能力,缩短了催化反应路径,有助于光芬顿反应的进行。
与现有技术相比,本发明优势之处在于:
(1)本发明巧妙的构筑了一种类血红素结构,作为一种仿生结构显著增强了光催化剂催化位点附近的氧气浓度,进而加快溶解氧的双电子还原反应(O2+ 2e-+2H+→H2O2),提升了原位产生H2O2数量,最终提升了光芬顿反应速率。
(2)类血红素结构所具有的C-Fe-N连接强化了MOF(Fe)和MXene之间的电荷传递,促使光生电子-空穴对的快速分离,更多的光生电子参与到原位H2O2的产生,有助于有机污染物的降解矿化。
(3)类血红素结构中的五元杂环能够与污染物分子形成π-π作用,增强复合光催化剂的吸附性能,缩短反应路径。
(4)类血红素结构增强了MXene/MOF(Fe)催化稳定性,其在420min的长时间矿化实验中能够保持优异的矿化效果。
(5)本发明的MXene/MOF(Fe)具有优异的导电能力,其阻抗仅为100~300 Ω。
附图说明
图1为原始MOF(Fe)的SEM图。
图2为类血红素结构的MXene/MOF(Fe)的SEM图。
图3为类血红素结构的MXene/MOF(Fe)和MOF(Fe)的XRD图。
图4为类血红素结构的MXene/MOF(Fe)和MOF(Fe)的EIS图。
图5为类血红素结构的MXene/MOF(Fe)和MOF(Fe)的PL图。
图6为类血红素结构的MXene/MOF(Fe)和MOF(Fe)的原位H2O2产量图。
图7为类血红素结构的MXene/MOF(Fe)和MOF(Fe)的暗吸附-光芬顿降解图。
图8为类血红素结构的MXene/MOF(Fe)和MOF(Fe)TOC矿化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述,但本发明要求保护的范围并不局限于实施例保护的范围。
实施例1
(1)Fe锚点修饰MXene的制备:先向10mL超纯水中添加50mg MXene,搅拌分散得到溶液A;对溶液A进行超声溶解20min,再向其中加入5mg的抗坏血酸和60mg六水合三氯化铁并充分搅拌得到溶液B;然后溶液B转移至高压反应釜中,以1℃/min升温至100℃,并在100℃保持6h后降温至室温,反应结束后,将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到Fe锚点修饰MXene粉末,记作MXene(Fe)。
(2)类血红素结构MXene的制备:将30mg MXene(Fe)分散到5mL乙醇,搅拌分散得到溶液C;再向溶液C中加入45mg原卟啉并充分搅拌得到溶液D;然后将溶液D转移至机械球磨罐,球磨反应15min,结束后收集球磨罐中的固体粉末,记作MXene(Fe)-POR。
(3)类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备:将30mg MXene(Fe)-POR,105mg九水合硝酸铁和66mg均苯三酸加入到10mL超纯水中,充分搅拌得到溶液E,然后将溶液E转移至高压反应釜中,以5℃/min升温至150℃,并在150℃保持36h后降温至室温,反应结束后,将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂。
实施例2
(1)Fe锚点修饰MXene的制备:先向10mL超纯水中添加60mg MXene,搅拌分散得到溶液A;对溶液A进行超声溶解30min,再向其中加入18mg的抗坏血酸和78mg六水合三氯化铁并充分搅拌得到溶液B;然后将溶液B转移至高压反应釜中,以2℃/min升温至110℃,并在110℃保持5h后降温至室温,反应结束后,将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到Fe锚点修饰MXene 粉末,记作MXene(Fe)。
(2)类血红素结构MXene的制备:将30mg MXene(Fe)分散到5mL乙醇,搅拌分散得到溶液C;再向溶液C中加入51mg原卟啉并充分搅拌得到溶液D;然后将溶液D转移至机械球磨罐,球磨反应25min,结束后收集球磨罐中的固体粉末,记作MXene(Fe)-POR。
(3)类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备:将30mg MXene(Fe)-POR,111mg九水合硝酸铁和72mg均苯三酸加入到10mL超纯水中,充分搅拌得到溶液E,然后将溶液E转移至高压反应釜中,以6℃/min升温至160℃,并在160℃保持33h后降温至室温,反应结束后,将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂。
实施例3
(1)Fe锚点修饰MXene的制备:先向10mL超纯水中添加70mg MXene,搅拌分散得到溶液A;对溶液A进行超声溶解40min,再向其中加入35mg的抗坏血酸和105mg六水合三氯化铁并充分搅拌得到溶液B;然后将溶液B转移至高压反应釜中,以1℃/min升温至120℃,并在120℃保持5h后降温至室温,反应结束后,将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到Fe锚点修饰MXene 粉末,记作MXene(Fe)。
(2)类血红素结构MXene的制备:将30mg MXene(Fe)分散到5mL乙醇,搅拌分散得到溶液C;再向溶液C中加入60mg原卟啉并充分搅拌得到溶液D;然后将溶液D转移至机械球磨罐,球磨反应35min,结束后收集球磨罐中的固体粉末,记作MXene(Fe)-POR。
(3)类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备:将30mg MXene(Fe)-POR,117mg九水合硝酸铁和78mg均苯三酸加入到10mL超纯水中,充分搅拌得到溶液E,然后将溶液E转移至高压反应釜中,以6℃/min升温至170℃,并在170℃保持30h后降温至室温,反应结束后,将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂。
实施例4
(1)Fe锚点修饰MXene的制备:先向10mL超纯水中添加80mg MXene,搅拌分散得到溶液A;对溶液A进行超声溶解50min,再向其中加入56mg的抗坏血酸和136mg六水合三氯化铁并充分搅拌得到溶液B;然后将溶液B转移至高压反应釜中,以2℃/min升温至140℃,并在140℃保持3h后降温至室温,反应结束后,将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到Fe锚点修饰MXene 粉末,记作MXene(Fe)。
(2)类血红素结构MXene的制备:将30mg MXene(Fe)分散到5mL乙醇,搅拌分散得到溶液C;再向溶液C中加入66mg原卟啉并充分搅拌得到溶液D;然后将溶液D转移至机械球磨罐,球磨反应45min,结束后收集球磨罐中的固体粉末,记作MXene(Fe)-POR。
(3)类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备:将30mg MXene(Fe)-POR,129mg九水合硝酸铁和84mg均苯三酸加入到10mL超纯水中,充分搅拌得到溶液E,然后将溶液E转移至高压反应釜中,以8℃/min升温至180℃,并在180℃保持26h后降温至室温,反应结束后,将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂。
实施例5
(1)Fe锚点修饰MXene的制备:先向10mL超纯水中添加80mg MXene,搅拌分散得到溶液A;对溶液A进行超声溶解50min,再向其中加入64mg的抗坏血酸和144mg六水合三氯化铁并充分搅拌得到溶液B;然后将溶液B转移至高压反应釜中,以3℃/min升温至160℃,并在160℃保持2h后降温至室温,反应结束后,将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到Fe锚点修饰MXene 粉末,记作MXene(Fe)。
(2)类血红素结构MXene的制备:将30mg MXene(Fe)分散到5mL乙醇,搅拌分散得到溶液C;再向溶液C中加入72mg原卟啉并充分搅拌得到溶液D;然后将溶液D转移至机械球磨罐,球磨反应50min,结束后收集球磨罐中的固体粉末,记作MXene(Fe)-POR。
(3)类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备:将30mg MXene(Fe)-POR,132mg九水合硝酸铁和87mg均苯三酸加入到10mL超纯水中,充分搅拌得到溶液E,然后将溶液E转移至高压反应釜中,以8℃/min升温至190℃,并在190℃保持25h后降温至室温,反应结束后,将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂。
材料性能测试
本发明实施例2制备得到的类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂进行表征和分析,以下是实施例2的表征结果和具体分析。
(一)原始MOF(Fe)和类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2) 的扫描电镜图
采用日本Hitachi SU8220型场发射扫描电镜对原始MOF(Fe)和类血红素 MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2)的表面形貌进行表征,如图1和图2 所示。
从图1可以看出,原始MOF(Fe)呈现出不规则的晶体颗粒状,从图2可以看出类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂中,MOF晶体颗粒紧密附着在层状 MXene表面,紧密的接触界面能够形成更多的类血红素结构,提升氧气捕获能力。
(二)原始MOF(Fe)和类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2) 的XRD表征测试。
采用日本理学Smartlab3KW型X射线衍射仪对原始MOF(Fe)和类血红素 MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2)进行XRD测试,该仪器采用Cu Kα靶,扫描速度设置为0.3°/min,测试电压为30kV,测试结果如图3所示。从图中可以看出,实施例2的XRD特征峰分布及强度与原始MOF(Fe)类似,表明 MOF(Fe)与类血红素MXene复合之后仍然保持了较好的结晶度和稳定的晶体结构,这主要得益于MXene界面修饰的类血红素结构促进了MOF(Fe)的生长,避免了片状MXene对MOF(Fe)结晶度的影响。
(三)原始MOF(Fe)和类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2) 的电化学阻抗表征测试。
采用普林斯顿P4000型电化学工作站以及三电极体系,对原始MOF(Fe)和类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2)进行电化学阻抗测试,结果如图4所示。可以看出,原始MOF(Fe)阻抗值为351.6Ω,而本发明实施例2 制备的类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的阻抗值显著降低,仅为120.8Ω,这归结于高导电的类血红素MXene提升了MOF(Fe)的导电能力,导电能力更强有利于光芬顿反应中光生电子-空穴对的分离,有助于产生更多的羟基自由基,提升催化剂的降解能力。
采用相同的方法测定实施例1、实施例3-5的阻抗值分别为168.2,187.1,194.3和196.8Ω。
(四)原始MOF(Fe)和类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2) 的光致发光光谱分析。
采用日本Hitachi F4700型荧光分光光度计对原始MOF(Fe)和类血红素 MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2)进行光致发光光谱(PL)测试,结果如图5所示。
从图中可以看出,本发明实施例2制备的类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的荧光峰强度更低,这意味着光生电子-空穴对复合的数量较少,具有更高的电子-空穴对分离效率,最终促使更多的光生电子参与到降解过程中,提升光芬顿降解能力。
(五)原始MOF(Fe)和类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2) 原位产生H2O2性能测试。
采用普林斯顿P4000型电化学工作站和辣根过氧化物酶探针,检测原始 MOF(Fe)和类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2)的原位H2O2产生能力,结果如图6所示。
从图中可以看出,经过相同时间的光照,原始MOF(Fe)的H2O2产量仅为85.8 μmol/L,而本发明实施例2制备的类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的 H2O2产量达到了368.5μmol/L,原位H2O2产量的大幅度提升得益于类血红素结构具有很强的氧捕获能力,促进了溶解氧的双电子还原反应(O2+2e-+2H+→ H2O2)的进行,提升了原位产生H2O2数量,这对后续光芬顿反应的进行具有重要意义。
(六)原始MOF(Fe)和类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2) 的光芬顿性能测试。
图7展示了原始MOF(Fe)和类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2)对30mg/L的农药噻虫啉的暗吸附以及光芬顿降解效果。从图中可以看出,在前50min内的暗吸附阶段,实施例2的吸附性能明显优于原始MOF(Fe),这是由于类血红素结构中的五元杂环能够与噻虫啉分子形成π-π作用,增强吸附性能。此外,在光芬顿降解阶段,实施例2的降解率明显高于原始MOF(Fe),其在120min内即可对噻虫啉的降解率达到95%以上,这得益于实施例2中的类血红素结构显著提升了氧捕获能力,进而提升了原位H2O2的产量,最终大幅度提升光芬顿降解性能。
(七)原始MOF(Fe)和类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2) 的矿化性能测试。
图8展示了原始MOF(Fe)和类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2)对30mg/L的农药噻虫啉的矿化率。从图中可以看出,经过420min的矿化反应,原始MOF(Fe)的矿化率仅为18.7%,而实施例2的复合光催化剂的矿化率达到了69.5%,为原始MOF(Fe)的3.7倍,这归结与类血红素结构既可以提升催化剂的电荷分离能力,又可以捕获氧气促进H2O2的产生,这种协同机制最终提高了类血红素MXene/MOF(Fe)复合光催化剂(实施例2)的矿化率。

Claims (10)

1.一种具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)Fe锚点修饰MXene的制备:将MXene材料分散在水中,加入抗坏血酸和六水合三氯化铁,超声分散得到悬浮液;将上述悬浮液转移至反应釜中加热反应;反应结束后将反应釜中的沉淀物离心洗涤并干燥,得到Fe锚点修饰的MXene粉末;
(2)类血红素结构MXene的制备:将步骤(1)得到的Fe锚点修饰的MXene粉末分散到乙醇中,再加入原卟啉,然后将混合液转移至机械球磨罐,进行球磨反应,反应结束后收集球磨罐中的固体粉末,得到具有类血红素结构的MXene粉末;
(3)类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备:将步骤(2)得到的类血红素结构的MXene粉末分散到水中,并加入九水合硝酸铁和均苯三酸,搅拌均匀后转移至高压反应釜加热生长MOF(Fe),然后离心洗涤并干燥,得到类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂。
2.根据权利要求1所述的具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述MXene与抗坏血酸的质量比为1:0.1~0.8,MXene与六水合三氯化铁的质量比为1:1.2~2.2。
3.根据权利要求1所述的具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述超声分散时间为20~80min。
4.据权利要求1所述的具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述加热反应均采用程序升温烘箱,具体温度控制过程为:
(a)升温过程:以1~3℃/min的升温速率升温至100~160℃;
(b)恒温过程:置于100~160℃保持1~6h;
(c)降温过程:恒温过程结束后从程序升温烘箱中取出,自然冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述Fe锚点修饰的MXene粉末与原卟啉的质量比为1:1.5~2.7。
6.根据权利要求1所述的具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中球磨时间为15~60min。
7.根据权利要求1所述的具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述类血红素结构的MXene粉末与九水合硝酸铁的质量比为1:3.5~4.5,类血红素结构的MXene粉末与均苯三酸的质量比为1:2.2~3.0。
8.据权利要求1所述的具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述加热生长MOF(Fe)均采用程序升温烘箱,具体温度控制过程为:
(a)升温过程:以5~8℃/min的升温速率升温至150~200℃;
(b)恒温过程:置于150~200℃保持24~36h;
(c)降温过程:恒温过程结束后从程序升温烘箱中取出,自然冷却至室温。
9.据权利要求1所述的具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法,其特征在于,所述复合光催化剂的阻抗为100~300Ω。
10.如权利要求1~9任一所述的方法获得的具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的应用,其特征在于:它在光芬顿降解有机污染物方面的应用。
CN202210042884.1A 2022-01-14 2022-01-14 一种具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法及其应用 Active CN114405527B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210042884.1A CN114405527B (zh) 2022-01-14 2022-01-14 一种具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210042884.1A CN114405527B (zh) 2022-01-14 2022-01-14 一种具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法及其应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114405527A true CN114405527A (zh) 2022-04-29
CN114405527B CN114405527B (zh) 2023-07-25

Family

ID=81273803

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210042884.1A Active CN114405527B (zh) 2022-01-14 2022-01-14 一种具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114405527B (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101139130A (zh) * 2007-08-24 2008-03-12 华中师范大学 持续长效、不需双氧水的Fenton试剂的制备方法
CN104437643A (zh) * 2014-11-04 2015-03-25 内蒙古民族大学 集成芬顿效应和光催化的固态超分子光催化剂及其制备方法和应用
CN108786870A (zh) * 2018-06-15 2018-11-13 同济大学 一种纳米复合物钛基光-类芬顿试剂及其制备方法和应用
CN109126877A (zh) * 2018-09-20 2019-01-04 西北师范大学 一种铁(iii)四羧基苯基卟啉植入金属有机框架的制备和应用
CN109225331A (zh) * 2018-07-27 2019-01-18 中国石油大学(华东) 一种金属卟啉骨架材料敏化的二氧化钛可见光响应的光催化剂的制备方法
CN109772402A (zh) * 2019-01-23 2019-05-21 浙江师范大学 类芬顿反应催化剂、制备方法、降解有机污水的方法及其应用
CN111151304A (zh) * 2020-02-26 2020-05-15 吴晓峰 三维MXene/MOF水凝胶的制备及其在水处理方面的应用
CN112058286A (zh) * 2020-08-25 2020-12-11 浙江工业大学 一种二维普鲁士蓝类似物@MXene复合电催化剂的原位制备方法
GB202019350D0 (en) * 2020-06-01 2021-01-20 Hangzhou Debiao New Energy Equipment Co Ltd A lithium-ion battery and preparation methods thereof
CN113130923A (zh) * 2021-04-15 2021-07-16 北京师范大学 一种二维多孔碳负载催化剂的制备方法及应用

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101139130A (zh) * 2007-08-24 2008-03-12 华中师范大学 持续长效、不需双氧水的Fenton试剂的制备方法
CN104437643A (zh) * 2014-11-04 2015-03-25 内蒙古民族大学 集成芬顿效应和光催化的固态超分子光催化剂及其制备方法和应用
CN108786870A (zh) * 2018-06-15 2018-11-13 同济大学 一种纳米复合物钛基光-类芬顿试剂及其制备方法和应用
CN109225331A (zh) * 2018-07-27 2019-01-18 中国石油大学(华东) 一种金属卟啉骨架材料敏化的二氧化钛可见光响应的光催化剂的制备方法
CN109126877A (zh) * 2018-09-20 2019-01-04 西北师范大学 一种铁(iii)四羧基苯基卟啉植入金属有机框架的制备和应用
CN109772402A (zh) * 2019-01-23 2019-05-21 浙江师范大学 类芬顿反应催化剂、制备方法、降解有机污水的方法及其应用
CN111151304A (zh) * 2020-02-26 2020-05-15 吴晓峰 三维MXene/MOF水凝胶的制备及其在水处理方面的应用
GB202019350D0 (en) * 2020-06-01 2021-01-20 Hangzhou Debiao New Energy Equipment Co Ltd A lithium-ion battery and preparation methods thereof
CN112058286A (zh) * 2020-08-25 2020-12-11 浙江工业大学 一种二维普鲁士蓝类似物@MXene复合电催化剂的原位制备方法
CN113130923A (zh) * 2021-04-15 2021-07-16 北京师范大学 一种二维多孔碳负载催化剂的制备方法及应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN114405527B (zh) 2023-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xia et al. MOF-derived single-atom catalysts: The next frontier in advanced oxidation for water treatment
WO2022021051A1 (zh) 一种量子点改性的金属有机骨架光催化剂及其制备方法和应用
Gu et al. Nano-spatially confined Pd–Cu bimetals in porous N-doped carbon as an electrocatalyst for selective denitrification
An et al. Defect engineering of NiCo-layered double hydroxide hollow nanocages for highly selective photoreduction of CO 2 to CH 4 with suppressing H 2 evolution
CN109569729B (zh) 一种负载型双金属高级氧化催化剂、制备方法及其各强化功能贡献的分析方法
CN114225938A (zh) 磁性纳米Fe3O4@菌渣生物炭芬顿催化剂及制备方法
CN111686770B (zh) 一种金属离子共掺杂BiOBr微球、制备方法及其应用
CN112023928A (zh) 一种碳量子点掺四氧化三钴复合类芬顿催化剂及其制备方法和应用
CN115041235A (zh) 一种钛金属有机骨架负载硫化铜复合光催化剂及其制备方法和应用
Zhao et al. ZIF-8-derived hollow carbon polyhedra with highly accessible single Mn-N6 sites as peroxymonosulfate activators for efficient sulfamethoxazole degradation
Wang et al. Constructing Cu 2 O/Bi 2 MoO 6 p–n heterojunction towards boosted photo-assisted-electro-Fenton-like synergy degradation of ciprofloxacin
CN114634220A (zh) 一种光降解有机砷化物的方法
CN113649074A (zh) 一种UiO-66-NH2和RGO界面共价键修饰的光催化剂的制备方法及应用
Miao et al. Accelerated Fenton degradation of azo dye wastewater via a novel Z-scheme CoFeN-gC 3 N 4 heterojunction photocatalyst with excellent charge transfer under visible light irradiation
CN114405527A (zh) 一种具有类血红素结构的MXene/MOF(Fe)复合光催化剂的制备方法及其应用
CN113996344B (zh) 一种量子点改性的金属有机骨架光催化剂及其制备方法和应用
Sun et al. Organic superconductor modified NH 2-UiO-66 for boosting photocatalytic Cr (vi) elimination under low-power ultraviolet light
CN113769748B (zh) 一种FeNi@玉米芯活性炭复合材料的制备
CN114984957A (zh) 一种可磁调控的杂多酸光催化剂的制备方法
Liu et al. Regulating Fe (III) spin state by anchoring iron on titanium dioxide for enhancing photo-Fenton treatment of tetracycline wastewater
Zhang et al. Enhanced heterogeneous electro-Fenton degradation of salicylic acid by different Fe3O4 loaded carriers
Huang et al. Construction of the Z-Scheme Heterogeneous HKUST-1/BiVO4 Nanorod Composite for Enhanced Piezo-Photocatalytic Reduction Performance of Cr (VI)
Su et al. Unleashing the power of directed electron transfer: unraveling the potential of {PV 4} 2 in heterogeneous photocatalysis
KR102503932B1 (ko) 휘발성 유기화합물의 흡착 및 분해용 광촉매 복합체의 제조방법, 이에 의해 제조된 광촉매 복합체, 상기 광촉매 복합체를 이용한 휘발성 유기화합물의 제거방법
CN112264104B (zh) 一种多氮共轭有机分子修饰MIL-125(Ti)制备核壳光催化剂的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant