一种碳微球基多点负载异质结构材料的制备方法与流程

本发明属于生态环境材料制备技术领域，具体涉及一种碳微球基多点负载异质结构材料的制备方法。

背景技术：

环境与能源是人类赖以生存和发展的基础。

随着人类现代化进程的加快，核能的发展越来越受到众多国家的重视。根据世界核能协会的数据，截止2016年1月1日，全球在运核电反应堆共439座，总装机共计38.25万兆瓦，在建反应堆66座，装机容量达7.03万兆瓦，拟建设核电反应堆为158座，装机容量为17.92万兆瓦。我国也明确提出了大力发展核电的政策，预计到2020年，我国核电装机容量占总发电量的比重将从目前的不到2％提高到7％左右。核能事业的迅速发展，对核燃料的供给能力和乏燃料处理能力带来巨大的挑战。

铀既是核燃料的主要成分又是乏燃料后处理的关键放射性核素之一。从乏燃料中分离铀，既可以充分利用有限的铀资源，又可以降低后续处理难度，减少处理处置费用。此外，勘探、开采、冶炼等涉铀操作过程都会产生含铀废水，可能导致环境污染。如果铀在环境中大量累积，作为兼有化学毒性和放射性毒性的重金属，可能改变环境本底辐射，造成物种基因畸变，对人类的生存和发展构成潜在的威胁。此外，由于核电迅猛发展，铀需求量剧增，陆地铀资源不足的问题摆在了人们面前。而海水中的铀含量十分丰富，多达45亿吨，是已知陆地铀矿储量的约4500倍，海水有可能成为将来人类所需核燃料铀的主要来源。

因此，从水体中分离、富集、固化以及回收铀具有非常重要的现实意义。大多时候，水溶液中的铀以六价形态(UO₂²⁺)存在，目前人们大多采用化学沉淀、吸附、萃取、生物修复、反渗透法等进行处理。其中的吸附法高效、直接、工艺成熟，广泛用于重金属废水的处理。近二十年来，光催化还原处理铀(VI)溶液也作为一类简单而经济的方法得到广泛研究，它不仅可以解决其放射性污染环境的问题，而且还可以控制乏燃料后处理过程中放射性核素的价态，从而实现铀资源的固化、回收。所以，发展一类兼具吸附和光催化还原铀(VI)的新途径将具有重要的学术意义、社会效益和经济效益。

碳微球作为一类制备成本低、制备方法多样的碳材料，其对水溶液中的铀(VI)有特别好的吸附作用及一定的选择性，而基于碳微球制备多点负载半导体纳米颗粒形成异质结构材料，只是在碳微球的多点位置引入半导体的纳米颗粒形成异质结构，大部分裸露的位置仍可发挥很好的吸附作用，为光催化提供相对富集的被处理物浓度；被处理物被光催化作用后，浓度降低，又可以吸附更多的被处理物，从而达到吸附和光催化作用的耦合增强。这一技术少见公开报道。因此，研究和开发一种碳微球基多点负载异质结构材料的制备方法具有重要的科学意义和现实意义。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种工艺简单、制备条件温和、具有吸附和光催化还原协同效应的碳微球基多点负载异质结构材料的制备方法。

本发明目的是这样实现的：一种碳微球基多点负载异质结构材料的制备方法，其关键在于按照如下步骤进行：

步骤1：以葡萄糖为碳源，水热法制备碳微球；

步骤2：配制醋酸铅溶液；

步骤3：将步骤1所得碳微球分散到步骤2所制醋酸铅溶液中，磁力搅拌；

步骤4：将步骤3中的固体物质离心分离，得到滤饼；

步骤5：将步骤4中的滤饼用无水乙醇和去离子水各洗涤一次；

步骤6：将步骤5中得到的洗涤产物分散到钼酸钠溶液中，磁力搅拌；

步骤7：将步骤6所得粗产品分离、洗涤和干燥，即得目标产物碳微球基多点负载异质结构材料。

上述步骤1～2中所述药品葡萄糖和钼酸铅的纯度不低于化学纯。

在上述步骤2中溶液所用溶剂为乙二醇和去离子水混合物。

上述步骤3中的磁力搅拌时间不低于10小时。

上述步骤5中无水乙醇和去离子水的用量分别不低于滤饼体积的20倍。

上述步骤6中磁力搅拌时间不低于10分钟。

上述步骤7中固体物质分离后，采用去离子水、无水乙醇、丙酮交替洗涤，干燥后即得碳微球基多点负载异质结构材料。

上述步骤7中去离子水、无水乙醇、丙酮的用量分别以所洗涤滤饼为标志物，去离子水、无水乙醇、丙酮与洗涤滤饼的质量比为20∶20∶20∶1。

上述步骤7中，交替洗涤次数为3～6次；所述干燥温度为60～80℃，干燥时间为4～8h。

在上述步骤2中，醋酸铅溶液的浓度为0.1M。

本发明的有益效果在于：

1、本发明实现了基于碳微球和半导体纳米颗粒间的“一核多点”新颖异质结构，并提供了这一新颖结构的制备方法，为生态环境材料的多功能耦合提供了一种新的思维。本发明的多点负载异质结构材料不同于核壳结构，在保留碳微球良好吸附性的同时引入半导体纳米颗粒的光催化还原性，吸附和光催化还原相互促进。

2、本发明采用简单常见的化学药品为反应原料，在制备过程中不产生有毒副产物，对环境污染小，是一种环保型合成工艺。

3、本发明所得产品适用性强，可用于水溶液中的有机物、重金属离子，特别是铀(VI)等的吸附和光催化降解(还原)。

简而言之，本发明工艺简单，整个制备体系容易构建，操作简便，条件易控，成本低廉，目标产物具有吸附性、光催化还原性、吸附-光催化还原协同效应等良好性能，可用于染料废水、重金属离子废水、铀矿冶废水等生态环境治理和海水提取铀(VI)等领域。

附图说明

图1所示为本发明实施例制得的钼酸铅纳米颗粒多点负载碳微球所形成的异质结构材料XRD图；

图2所示为本发明实施例所得产物的TEM图。

具体实施方式

实施例1：

(1)碳微球制备：分别称取0.1g十六烷基三甲基溴化铵和3g葡萄糖，溶解于37.5ml蒸馏水中，磁力搅拌30分钟后转移入50ml水热反应釜中，将水热反应釜置于烘箱内，在160℃下保温20小时，冷却至室温后用蒸馏水、无水乙醇和丙酮交替洗涤6次，烘干后留存供后续使用。

(2)取60mg碳微球分散于20mL0.1M的醋酸铅溶液中，磁力搅拌20小时，离心过滤固体物质，分别用无水乙醇和去离子水各洗涤一次，将洗涤后物质分散于10mL0.1M的钼酸钠溶液中，磁力搅拌10分钟后得粗产品，将粗产品分离、洗涤和干燥，即得目标产物碳微球基钼酸铅纳米颗粒多点负载异质结构材料。

图1所示为本发明实施例制得碳微球基钼酸铅纳米颗粒多点负载异质结构材料的XRD图，所得峰为钼酸铅晶体的衍射峰。图2所示为本实施例产物的透射电子显微镜(TEM)照片，照片显示所得产物为球形异质结构材料。

实施例2：

(1)碳微球制备：分别称取0.1g十六烷基三甲基溴化铵和3g葡萄糖，溶解于37.5ml蒸馏水中，磁力搅拌30分钟后转移入50ml水热反应釜中，将水热反应釜置于烘箱内，在160℃下保温20小时，冷却至室温后用蒸馏水、无水乙醇和丙酮交替洗涤6次，烘干后留存供后续使用。

(2)取60mg碳微球分散于20mL0.1M的醋酸铅溶液中，磁力搅拌10小时，离心过滤固体物质，分别用无水乙醇和去离子水各洗涤一次，无水乙醇和去离子水的用量分别不低于滤饼体积的20倍；将洗涤后物质分散于10mL0.1M的钼酸钠溶液中，磁力搅拌10分钟后得粗产品，将粗产品采用去离子水、无水乙醇、丙酮交替洗涤，去离子水、无水乙醇、丙酮的用量分别以所洗涤滤饼为标志物，去离子水、无水乙醇、丙酮与洗涤滤饼的质量比为20∶20∶20∶1，交替洗涤次数为3～6次；干燥，干燥温度为60～80℃，干燥时间为4～8h，即得目标产物碳微球基钼酸铅纳米颗粒多点负载异质结构材料。

本发明工艺简单，整个制备体系容易构建，操作简便，条件易控，成本低廉，目标产物具有吸附性、光催化还原性、吸附-光催化还原协同效应等良好性能，可用于染料废水、重金属离子废水、铀矿冶废水等生态环境治理和海水提取铀等领域。

本文虽然已经给出了本发明的实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。