一种多组分复合光催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及光催化用于环境领域，具体涉及一种多组分复合光催化剂及其制备方法和应用。
背景技术：
：20世纪90年代，国际上开始尝试用光催化法去除有机废气。光催化氧化技术具有反应快速高效，对污染物分解彻底且环境友好等优点。但传统的负载型催化剂尚存在活性颗粒尺寸可控性差、活性组分易团聚、光响应窗口窄、光能利用率低等问题。金属-有机骨架(metal-organicframeworks，MOFs)材料是由金属离子/簇与有机配体通过自组装过程杂化生成的一类具有周期性多维网状结构的多孔晶体材料，具有较大的比表面积、孔隙率和丰富的纳米微观孔道，作为吸附、催化材料表现出广阔的应用前景。MOFs多维网状骨架结构在高温条件下的不稳定性影响了其在光催化材料制备方面的应用，因此开发基于MOFs技术的光催化材料制备新途径具有重要的研究意义和实际应用价值。技术实现要素：解决的技术问题：本发明为了提升光催化剂的催化性能和光响应窗口，以金属～有机骨架作为改性手段，充分发挥其三维多孔结构的优势，使得光催化活性组分均匀扩散到微观孔道内。同时MOFs在高温焙烧过程中有机骨架结构发生碳化，最终形成以MOFs原位金属氧化物和光催化活性氧化物高度耦合的多组分复合型光催化材料。技术方案：一种多组分复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)取有机配体A并将其溶于溶液B中，在室温条件下搅拌10～30min，得到澄清溶液，备用；所述有机配体A为均苯三甲酸、对苯二甲酸、偏苯三甲酸、5-咪唑基-1，3-苯二甲酸、2，6-萘二甲酸、2-甲基咪唑、5，6-二甲基苯并咪唑、5-氮杂苯并咪唑中的至少一种；所述溶液B为乙醇、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺；配体与有机溶液的用量比为(0.5-1g):(25-30mL)；(2)向步骤(1)中的澄清溶液中加入金属化合物C，室温条件下搅拌10～30min，得到混合溶液，备用；所述金属化合物C为六水合硝酸锌、钛酸四丁酯、硝酸铜、五水合硝酸铋中的一种；属化合物C与有机配体的质量比1:1～1:4；(3)将载体放入步骤(2)所述的混合溶液中并在50～200℃恒温浸渍2～8小时，得MOFs/载体材料，备用；所述载体为玻璃纤维、硅藻土或泡沫镍中的一种；载体与有机配体的质量比1:10；(4)将金属化合物D溶于有机溶剂中，在室温下搅拌10～30min，再将处理过的步骤(3)所得的MOFs/载体材料放入其中进行负载，备用；所述金属化合物D为六水合硝酸锌、钛酸四丁酯、硝酸铜、五水合硝酸铋中的一种；金属化合物D与有机溶剂的摩尔比为1:3；(5)将步骤(4)中制备所得的材料陈化12小时，然后60～100℃条件下干燥3～5小时，300～500℃空气中煅烧3～5小时，即可获得复合光催化剂。上述步骤(1)的配体与有机溶液的用量比为1g:3mL。上述步骤(2)金属化合物C与有机配体的质量比1:1。上述步骤(4)中的有机溶剂为无水乙醇。上述步骤(4)的处理是用乙醇、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺进行洗涤后再用蒸馏水或去离子水进行洗涤并在50～80℃条件下干燥3～5小时。上述制备方法所得多组分复合光催化剂。上述多组分复合光催化剂在降解苯、甲苯或甲醛中的应用。有益效果：本发明多组分复合光催化剂具有活性组分颗粒尺寸小、负载量高、分布均匀、光响应窗口宽(紫外-可见光)、光能利用率高等优点，实现了多种金属氧化物协同催化，显著提高了光催化剂的性能和应用性，有适合工业化生产。附图说明图1为实施例1制得的Bi2O3/TiO2/玻璃纤维光催化剂对甲苯的降解率。图2为实施例2制得的ZnO/TiO2/玻璃纤维光催化剂对苯的降解率。图3为实施例3制得的ZnO/Bi2O3/玻璃纤维光催化剂对甲醛的降解率。具体实施方式下面通过具体实验方案进一步说明本发明，但本发明并不限于此。实施例1一种多组分复合光催化剂的制备方法及应用，包括以下步骤：(1)将1g对苯二甲酸溶于40mLN,N-二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌10min后获得澄清溶液。(2)向步骤(1)得到的澄清溶液中加入0.8gBi(NO3)3·5H2O，室温下搅拌20min，得到混合溶液备用。(3)将8g玻璃纤维放入步骤(2)所述的混合溶液中并在100℃恒温浸渍2小时，得MOFs/玻璃纤维，备用。(4)将30mL钛酸四丁酯溶于15mL无水乙醇中搅拌15min。将处理过的步骤(3)所得MOFs/玻璃纤维材料放入钛酸四丁酯溶液中，进行负载，备用。上述处理方法为用乙醇、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺进行洗涤MOFs/玻璃纤维材料，再用蒸馏水或去离子水进行洗涤并在50～80℃条件下干燥3～5小时。(5)将步骤(4)制备的材料陈化12小时。在60℃条件下干燥4小时，然后放入马弗炉中500℃煅烧3小时，得到Bi2O3/TiO2/玻璃纤维光催化剂，其负载量如表1所示。(6)称取上述光催化剂4g，放入装有浓度为2.8g/m3甲苯为玻璃箱反应箱中，在紫外照射下进行光催化反应，每隔12h，在玻璃反应器中取样，用气相色谱(FID检测器)分析产物中残留甲苯，并将与TiO2/玻璃纤维、Bi2O3/玻璃纤维做比较，得到的数据如图1所示。表1催化剂负载前重量负载后的重量负载量Bi2O3/TiO2/玻璃纤维8.0g9.153g14.413％TiO2/玻璃纤维8.0g8.68g8.50％Bi2O3/玻璃纤维8.0g8.60g7.5％由以上数据可知，在相同的原料用量情况下，本方法制备的催化剂其活性组分负载量远高于其传统的方法。实施例2一种多组分复合光催化剂的制备方法及应用，包括以下步骤：(1)将0.5g对苯二甲酸溶于25mLN,N-二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌15min后获得澄清溶液，备用。(2)向步骤(1)的得到的澄清溶液中加入0.35gZn(NO3)2·6H2O，室温下搅拌15min，得到混合溶液备用。(3)将8g玻璃纤维放入步骤(2)所述的混合溶液中并在120℃恒温浸渍2小时，得MOFs/玻璃纤维，备用。(4)将30mL钛酸四丁酯溶于15mL无水乙醇中，搅拌10min。将处理过的步骤(3)所得MOFs/玻璃纤维材料放入钛酸四丁酯进行负载，备用。上述处理方法为用乙醇、甲醇或N,N～二甲基甲酰胺进行洗涤MOFs/玻璃纤维材料，再用蒸馏水或去离子水进行洗涤并在50～80℃条件下干燥3～5小时。(5)将步骤(4)制备的材料陈化12小时。在60℃条件下干燥4小时，然后放入马弗炉中500℃煅烧3小时，得到ZnO/TiO2/玻璃纤维光催化剂。(6)称取上述光催化剂4g，放入装有浓度为2.8g/m3苯为玻璃箱反应箱中，在紫外照射下进行光催化反应，每隔12h，在玻璃反应器中取样，用气相色谱(FID检测器)分析产物中残留甲苯，并将与TiO2/玻璃纤维、ZnO/玻璃纤维做比较，得到的数据如图2所示。实施例3一种多组分复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将0.8g对苯二甲酸溶于30mLN,N-二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌13min后获得澄清溶液，备用。(2)向步骤(1)得到的澄清溶液中加入0.35gZn(NO3)2·6H2O，室温下搅拌15min，得到混合溶液备用。(3)将8g玻璃纤维放入步骤(2)所述的混合溶液中并在120℃恒温浸渍2小时，得MOFs/玻璃纤维，备用。(4)将35gBi(NO3)3·5H2O溶于15mL无水乙醇中，搅拌13min。将处理过的步骤(3)所得MOFs/玻璃纤维材料放入硝酸铋溶液中进行负载，备用。上述处理方法为用乙醇、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺进行洗涤MOFs/玻璃纤维材料，再用蒸馏水或去离子水进行洗涤并在50～80℃条件下干燥3～5小时。(5)将步骤(4)制备的材料陈化12小时。在60℃条件下干燥4小时，然后放入马弗炉中500℃煅烧3小时，得到ZnO/Bi2O3/玻璃纤维。(6)称取上述ZnO/Bi2O3/玻璃纤维4g，放入装有浓度为2.8g/m3甲醛为玻璃箱反应箱中，在可见光照射下进行光催化反应，每隔12h，在玻璃反应器中取样，用甲醛测量仪测量甲醛含量，并将与Bi2O3/玻璃纤维、ZnO/玻璃纤维做比较，得到的数据如图3所示。当前第1页1 2 3