铁酸铜光-芬顿催化磁性复合材料及其制备方法与流程

本发明属于光降解技术领域，尤其涉及铁酸铜光-芬顿催化磁性复合材料及其制备方法。

背景技术：

随着工业的不断发展，环境污染日益严重，如难降解有机物的去除、水体的富营养化、高浓度工业废水及污染水源的治理等，传统水处理工艺中的物理方法、生物方法往往不能得到满意的结果。光-芬顿催化降解属于高级氧化法(advancedoxidationprocess)：简称aops，可直接利用太阳能，降解有机废水。aops具有反应设备简单、反应速度快、选择性小、处理效率高、剩余污泥少，适用范围广，无二次污染，氧化能力强等特点等优点而倍受瞩目，在印染、皮革、酚类、农药和活性污泥等难降解有机废水处理中具有很好的应用前景，是目前处理水中难降解有机污染物的研究热点。

目前光催化剂材料的制备方法主要为水热法、模板法等，其中水热法需要在水热斧中反应后经水洗或乙醇洗，再经干燥得到，模板法需要加入表面活性剂、添加模板、酸度调节等，因而需要控制的参数比较多，工艺复杂，成本较高，尤其是在制备晶态半导体或复合材料时，制备工艺更为复杂。如专利cn102500390a公开了一种氧化铁/钨酸铋复合光催化剂的制备方法，该方法是将五水硝酸铋的硝酸溶液、钨酸铵的氢氧化钠溶液及可溶性铁盐混合后，采用微波辅助加热的水热法制备得到复合光催化剂。专利cn105797739a公开了一种铁氢氧化物/钒酸铋复合光催化剂的制备方法及应用，该方法先通过水热法制得钒酸铋，然后加入尿素、浓硝酸、硝酸铁在加热条件下反应，通过离心、洗涤、烘干、研磨得到复合光催化剂。

低温燃烧合成主要是以可溶性金属盐(主要是硝酸盐)和有机燃料作为反应物，金属硝酸盐在反应中充当氧化剂，有机燃料在反应中充当还原剂，反应物体系在一定温度下加热或点燃引发剧烈的氧化-还原反应，一旦点燃，反应即由氧化-还原反应放出的热量维持自动推进。

在光-芬顿体系中，控制催化速率快慢的是fe³⁺的还原过程，而在半导体体系中，引入电子受体可有效地促进光生电子与空穴分离。有报道称在半导体光催化剂中引入fe³⁺或者铁氧化物，可以作为电子受体，有效地促进光生电子与空穴的分离。因此，选择合适的半导体光催化剂与芬顿体系联用，既能促进光生电子空穴分离，又能促进芬顿体系在可见光区域fe³⁺还原为fe²⁺，能够更有效的产生·oh，从而提高复合催化剂的活性。利用低温燃烧合成法制备铁酸铜光-芬顿催化磁性复合材料尚未见报道。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是水热法、模板法制备光催化材料时需控制的参数比较多，工艺复杂。

为解决上述现有技术存在的不足，本发明提供铁酸铜光-芬顿催化磁性复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将硝酸铜、硝酸铁、燃料溶解到去离子水或蒸馏水中，搅拌至完全溶解，得到均一溶液，然后将上述溶液转移到加热设备进行加热，至溶液蒸干形成胶状物质后发生低温燃烧合成反应，得到粉末状铁酸铜光-芬顿催化磁性复合材料。

其中，燃料为甘氨酸。

其中，以重量百分数计，硝酸铜/硝酸铁的比例为1～20％wt。

其中，燃料与硝酸铁的摩尔比为1:0.3。

其中，加热设备可为加热板、马弗炉或电阻炉加热。

其中，本发明发生的低温燃烧合成反应是：

18fe(no3)3+9cu(no3)2+40c2h5no2→9cufe2o4+80co2↑+100h2o↑+56n2↑

其中，上述制备方法控制在5～20min内完成。

其中，所述复合材料的主要成分为铁酸铜cufe2o4，具有磁性。

本发明还公开了将上述铁酸铜光催化磁性复合材料作为光-芬顿催化剂用于有机污染物的降解。

本发明具有如下有益效果：

本发明方法原料仅需硝酸铁、硝酸铜和燃料，在加热条件下一步便能实现一种光-芬顿催化剂，也即铁酸铜光催化磁性复合材料的制备，工艺简单易操作，生产成本低，绿色环保，生产周期短，易于工业化生产；本发明反应过程中释放出大量的热量和气体，因而需外界提供的能量低；采用本发明方法制备得到的复合材料具有的纳米级结构，有利于电子传输，能够改善光生电子与空穴间的复合，能显著提高催化剂的催化反应活性，进而提高光-芬顿催化剂的光降解效率，同时本发明铁酸铜复合材料具有磁性，经磁分离后可循环利用，在降解废水有机污染物领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明铁酸铜光催化磁性复合材料的xrd表征图，其中a为实施例1制备的铁酸铜光催化磁性复合材料的xrd表征图，b为实施例2制备的铁酸铜光催化磁性复合材料表征图，c为实施例3制备的铁酸铜光催化磁性复合材料的xrd表征图；

图2为本发明实施例1所制备的铁酸铜光催化磁性复合材料光-芬顿催化降解性能图；

图3为本发明实施例1所制备的铁酸铜光催化磁性复合材料的tem图；

图4为本发明实施例1所制备的铁酸铜光催化磁性复合材料的磁性分离。

具体实施方式

本发明提供的光催化磁性复合材料，是由硝酸铁、硝酸铜、燃料混合配制成水溶液，然后通过低温燃烧合成得到，其主要成分是铁酸铜cufe2o4。

本发明提供铁酸铜光催化磁性复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将硝酸铜、硝酸铁、燃料溶解到去离子水或蒸馏水中，搅拌至完全溶解，得到均一溶液，然后将上述溶液转移到加热设备进行加热，溶液经沸腾、蒸发、冒泡形成胶状物质后发生低温燃烧合成反应，最终得到粉末状铁酸铜光催化磁性复合材料。

其中，各原料的添加顺序没有限制，只要最终得到均一溶液即可。

其中，其中，燃料为甘氨酸。

其中，以重量百分数计，硝酸铜/硝酸铁的比例为1～20％wt。

其中，燃料与硝酸铁的摩尔比为1:0.3。

其中，考虑到能耗，加热温度在100℃左右，使溶液沸腾、蒸发、冒泡直至溶液蒸发干，得到胶状物质，胶状物质在受热条件下膨胀，继而发生低温燃烧合成反应，得到粉末状铁酸铜光催化磁性复合材料，并且胶状物质膨胀后不需要加热，由低温燃烧合成反应放出的热量推进反应进行。

其中，加热条件可为加热板、马弗炉或电阻炉加热。

其中，整个制备方法可控制在5～15min内完成。

本发明还进一步公开了将上述铁酸铜光催化磁性复合材料作为光-芬顿催化剂用于有机污染物的降解。

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

实施例中所用原料均为分析纯，通过市售得到；光降解测试中光源为300w氙灯(pls-sxe北京泊菲莱科技有限公司)，甲基蓝的初始浓度为40ppm，催化剂浓度为0.05g/100ml，双氧水加入量1ml，也可使用其他常用染料如甲基橙、罗丹明b。

实施例1

将12g的硝酸铁，6.2g的硝酸铜，2g的甘氨酸，溶于去离子水中，用玻璃棒搅拌直至完全溶解，用加热设备加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡后发生低温燃烧合成反应，得到粉末状铁酸铜磁性复合材料。xrd衍射结果表明产物为铁酸铜和氧化铜的复合物。将所得产物作为光催化剂降解甲基蓝溶液，结果表明在40min内就能将甲基蓝完全降解，表明铁酸铜磁性复合材料对染料降解具有良好的光-芬顿催化性能，且降解后粉末可以通过磁分离循环利用。

实施例2

将12g的硝酸铁，3.5g的硝酸铜，2g的甘氨酸，溶于去离子水中，用玻璃棒搅拌直至完全溶解，用加热设备加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡后发生低温燃烧合成反应，得到粉末状铁酸铜磁性复合材料。xrd衍射结果表明产物为铁酸铜和氧化铜的复合物。将所得产物作为光催化剂降解甲基蓝溶液，结果表明在60min内就能将甲基蓝完全降解，表明铁酸铜磁性复合材料对染料降解具有良好的光-芬顿催化性能，且降解后粉末可以通过磁分离循环利用。

实施例3

将12g的硝酸铁，1.73g的硝酸铜，2g的甘氨酸，溶于去离子水中，用玻璃棒搅拌直至完全溶解，用加热设备加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡后发生低温燃烧合成反应，得到粉末状铁酸铜磁性复合材料。xrd衍射结果表明产物为铁酸铜和氧化铁的复合物。将所得产物作为光催化剂降解甲基蓝溶液，结果表明在60min内就能将甲基蓝完全降解，表明铁酸铜磁性复合材料对染料降解具有良好的光-芬顿催化性能，且降解后粉末可以通过磁分离循环利用。

实施例4

将12g的硝酸铁，0.34g的硝酸铜，2g的甘氨酸，溶于去离子水中，用玻璃棒搅拌直至完全溶解，用加热设备加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡后发生低温燃烧合成反应，得到粉末状铁酸铜磁性复合材料。xrd衍射结果表明产物为铁酸铜和氧化铁的复合物。将所得产物作为光催化剂降解甲基蓝溶液，结果表明在60min内就能将甲基蓝完全降解，表明铁酸铜磁性复合材料对染料降解具有良好的光-芬顿催化性能，且降解后粉末可以通过磁分离循环利用。

实施例5

将12g的硝酸铁，6.9g的硝酸铜，2g的甘氨酸，溶于去离子水中，用玻璃棒搅拌直至完全溶解，用加热设备加热，溶液在经历挥发、浓缩、冒泡后发生低温燃烧合成反应，得到粉末状铁酸铜磁性复合材料。xrd衍射结果表明产物为铁酸铜和氧化铜的复合物。将所得产物作为光催化剂降解甲基蓝溶液，结果表明在70min内就能将甲基蓝完全降解，表明铁酸铜磁性复合材料对染料降解具有良好的光-芬顿催化性能，且降解后粉末可以通过磁分离循环利用。