一种光催化还原含铬(VI)废水复合催化剂的制备方法

文档序号:25996273发布日期:2021-07-23 21:10阅读:115来源:国知局
一种光催化还原含铬(VI)废水复合催化剂的制备方法

本发明涉及复合光催化剂制备领域,尤其涉及一种光催化还原含铬(vi)废水复合催化剂的制备方法。



背景技术:

重金属污染是全球面对的环境污染问题之一,其中cr(vi)来自皮革、铬盐制造等行业的生产废水,具有水体流动性好、毒性强、难以自然降解等特点,严重威胁着环境和人类健康。据统计自2009年以来电镀、合金制造等行业排放近的含cr(vi)废水高达1.34×104t。由于cr(iii)在人类和植物的新陈代谢发挥着重要作用,因此将cr(vi)还原为cr(iii)是减少重金属cr(vi)对环境和人类危害的有效方法。其中以半导体光催化剂为核心的光催化剂技术是一种经济有效、绿色环保的含cr(vi)工业废水处理技术。

α-fe2o3赤铁矿是一种无机红色染料,兼具无毒、来源广、价廉等优点。在α-fe2o3的结构中[feo6]八面体的配体2p(o2-)和金属离子3d(fe3+)之间的电荷转移,其漫反射光谱在600~700nm出现两个主要的吸带隙,α-fe2o3是一种可见光响应的n型半导体(eg~2.1ev),但由于α-fe2o3的光生空穴扩散自由程短(2~4nm),其结构缺陷导致实际光催化活性小于其理论值。通过能带结构调控、构筑异质界面,提高α-fe2o3的导电性、改善光生电荷的转移能力。文献已有报道,通过半导体复合改性可获得高催化活性的α-fe2o3基催化材料,如,bi2wo6、biocl、sno2、zno、moo3和g-c3n4等。其中she等人将α-fe2o3胶体分散体与三聚氰胺混合,在550℃下煅烧4h,得到多层状α-fe2o3/g-c3n4,并研究其光催化产氢的性能。2020年李玉佩等利用一步煅烧发合成了α-fe2o3/g-c3n4纳米催化剂,研究其可见光降解罗丹明b的性能。李宏鑫等使用溶胶凝胶法获得α-fe2o3/g-c3n4,研究其降解罗丹明b的性能。2018年倪利晓等通过bi2wo6负载α-fe2o3,研究其降解微囊藻毒素的性能。

本申请通过sn掺杂改性α-fe2o3在α-fe2o3的表面形成氧空位,同时形成杂质能级,减弱电子移动的阻抗特性、提高载流子的移动速度,从而提高α-fe2o3的催化活性;进一步利用二维层状结构的非金属导电聚合物石墨相氮化碳(g-c3n4),构筑sn-α-fe2o3/g-c3n4异质结,进一步提高载流子的分离,获得高效、可见光催化还原水中cr(vi)的催化剂。



技术实现要素:

有鉴于此,本发明的目的在于提供一种光催化还原含铬(vi)废水复合催化剂的制备方法,本申请公开的sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂具有优异的光催化活性归因于sn-α-fe2o3和g-c3n4具有匹配的能带结构和紧密的界面,形成的内界电场有效提升了光生载流子的转移、分离和利用。本发明公开的制备方法便于推广,效果优异,制备的sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂具备较好的应用前景。为达到上述目的,采用的技术方案如下:

一种光催化还原含铬(vi)废水复合催化剂的制备方法,制备步骤包括:

s1:将fe(no3)3·9h2o溶解于柠檬酸水溶液中,不断搅拌下加入sncl4·5h2o的水溶液,至混合均匀后,加入naoh溶液并搅拌,将溶液密封加热进行反应,离心洗涤数次后烘干,所得产品在马弗炉内煅烧,碾磨即得sn-α-fe2o3;

s2:将三聚氰胺和双氰胺充分研磨后,于马弗炉中恒温加热,待样品自然冷却至室温,用水充分浸泡,抽滤、洗涤,干燥后,研磨即得g-c3n4粉末;

s3:称取步骤s1中合成的sn-α-fe2o3和步骤s2中合成的g-c3n4进行过筛处理和研磨,使二者充分混合,加入聚乙二醇继续研磨,研磨后的混合物转入盛有无水乙醇的反应容器中,搅拌后密封于高压反应釜中,在一定温度下反应一段时间,待自然冷却至室温,用水洗涤数次后,烘干得到sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂。

进一步的,所述步骤s1中fe(no3)3·9h2o、柠檬酸、sncl4·5h2o、naoh的摩尔比为10:0.2855:0.05:25。

进一步的,所述步骤s1中加入naoh后搅拌时间为2h。

进一步的,所述步骤s1中将溶液加热进行反应的条件为:溶液在四聚氟乙稀内衬中、密封于高压反应釜,在180℃的温度下反应12h。

进一步的,所述步骤s1中离心洗涤后80℃烘干,所述马弗炉温度为400℃,煅烧时间为2h。

进一步的,所述步骤s2中三聚氰胺和双氰胺的质量比为1:1。

进一步的,所述步骤s2中三聚氰胺和双氰胺在玛瑙研钵的研磨时间为30min,所述马弗炉温度为540℃,加热时间为2h,所述干燥条件为100℃下干燥4h。

进一步的,所述步骤s3中sn-α-fe2o3和g-c3n4的质量比为0.67-1.5。

进一步的,所述步骤s3中sn-α-fe2o3和g-c3n4的混合方式为球磨机混合20min,加入聚乙二醇后继续在球磨机中研磨20min,所述研磨后的混合物反应条件为:转入盛有的无水乙醇的四聚氟乙稀内衬中,磁力搅拌4h后密封于高压反应釜中,在180℃反应温度下加热5h,所述烘干条件为80℃的真空干燥箱中烘干。

进一步的,所述复合催化剂可以用于可见光催化还原含铬(vi)废水。

本发明的有益效果体现在:

本发明公开的一种光催化还原含铬(vi)废水复合催化剂的制备方法,利用sn掺杂改性α-fe2o3在α-fe2o3的表面形成氧空位,同时形成杂质能级,减弱电子移动的阻抗特性、提高载流子的移动速度,从而提高α-fe2o3的催化活性;进一步利用二维层状结构的非金属导电聚合物石墨相氮化碳(g-c3n4),构筑sn-α-fe2o3/g-c3n4异质结,进一步提高载流子的分离,获得高效、可见光催化还原水中cr(vi)的催化剂。此种复合催化剂在一定条件下有着极其优异的cr(vi)催化效率,可见光照射含cr(vi)水溶液90min时,可见光照射含cr(vi)水溶液90min时,sn-α-fe2o3含量为50%的sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂可将cr(vi)100%还原为cr(iii),sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂具有优异的光催化活性归因于sn-α-fe2o3和g-c3n4具有匹配的能带结构和紧密的界面,形成的内界电场有效提升了光生载流子的转移、分离和利用。本发明公开的制备方法便于推广,效果优异,制备的sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂具备较好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为sn-fe2o3、g-c3n4、cpc-40~60以及calcined-cpc的xrd图谱;

图2为cpc-50和sn-α-fe2o3的xpssurvey图;

图3为cpc-50的sn3d元素的高分辨xps谱图;

图4为cpc-50的fe2p元素的高分辨xps谱图;

图5为cpc-50的o1s元素的高分辨xps谱图;

图6为cpc-50的n1s元素的高分辨xps谱图;

图7为sn-α-fe2o3、g-c3n4、cpc-50和calcined-cpc的ft-ir谱图;

图8为sn-α-fe2o3、g-c3n4、cpc-50和calcined-cpc的eis图;

图9为g-c3n4的fesem图;

图10为sn-α-fe2o3的fesem图;

图11为cpc-50的fesem图;

图12为cpc-50的tem图;

图13为sn-fe2o3、g-c3n4、cpc-40~60和calcined-cpc可见光催化还原cr(vi)的光催化活性比较图;

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

实施例1:sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂的制备

1、水热合成sn-α-fe2o3:

将10mmolfe(no3)3·9h2o溶解于30ml2g/l的柠檬酸水溶液中,在不断搅拌下加入0.50ml0.1mol/lsncl4·5h2o的水溶液,至混合均匀后,加入25ml1mol/lnaoh溶液、磁力搅拌2h后,将上述反应溶液转移到100ml四聚氟乙稀内衬中、密封于高压反应釜,在180℃的鼓风烘箱中加热12h。离心洗涤数次后80℃烘干。所得样品进一步在400℃马弗炉内温至退火煅烧2h,碾磨备用。

2、g-c3n4粉末:

将质量比为1:1的三聚氰胺和双氰胺在玛瑙研钵中充分研磨30min,将研磨后的试剂转入刚玉坩埚中,于540℃的马弗炉中恒温加热2h,待样品自然冷却至室温,用去离子水充分浸泡,抽滤、洗涤,在100℃下干燥4h,研磨备用。

3、溶剂热合成sn-α-fe2o3/g-c3n4:

称取0.5g自制、质量比为2:3、1:1和3:2的sn-α-fe2o3和g-c3n4进行过筛处理,利用球磨机使二者充分混合20min后,加入2ml聚乙二醇继续在球磨机中研磨20min;研磨后的混合物转入盛有38ml的无水乙醇的四聚氟乙稀内衬中,磁力搅拌4h后密封于高压反应釜中,在180℃反应温度下加热5h。待自然冷却至室温,用去离子水涤数次后,在80℃的真空干燥箱中烘干,得到化学键合的sn-α-fe2o3/g-c3n4复合材料(compositephotocatalyst),后文简写为cpc-40、cpc-50、cpc-60。

对比例1:calcined-cpc的制备

400mgsn-α-fe2o3-b+10.00ml无水乙醇+10.00ml蒸馏水+100mg的g-c3n4,超声分散30min,80℃烘干。在氮气保护下,将上一步所得粉末在管式炉中400℃保温2h。去离子水、无水乙醇清洗以后研磨备用,下文简写为calcined-cpc。

实施例2:sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂的评价

1、sn-α-fe2o3/g-c3n4的xrd分析

图1为sn-fe2o3、g-c3n4、cpc-40~60以及calcined-cpc的xrd图谱,与标准卡jcpdsno.87-1526进行对比,2θ=27.4°处有一个明显的衍射峰,为g-c3n4的(002)晶面,sn-α-fe2o3在2θ=24.1°、33.17°、35.43°、40.95°、49.29°出现的衍射峰分别对应标准卡jcpdsno.87-1164的α-fe2o3的(012)、(104)、(110)、(113)、(024)晶面。

在合成材料cpc-40~60和calcined-cpc的xrd衍射谱图中可以观察到sn-α-fe2o3和g-c3n4的特征衍射峰。cpc-40~60的xrd谱图中,在27.4°处g-c3n4的xrd特征衍射峰随g-c3n4质量分数增加,衍射峰的相对强度增加。表明得到了结构完整的sn-α-fe2o3/g-c3n4复合材料纳米颗粒。calcined-cpc的xrd衍射谱图中的g-c3n4的衍射峰较弱。

2、sn-α-fe2o3/g-c3n4的xps分析

图2给出cpc-50和sn-α-fe2o3的xpssurvey图。cpc-50的survey图出现了复合材料的组成元素fe、sn、o、c和n的xps特征峰。图3为cpc-50的sn3d元素的高分辨xps谱图,图中487.5ev和495.21ev分别为sn3d5/2和sn3d3/2的结合能,对应sn-o,说明sn4+掺杂占据fe2o3的晶格结点。

图4为cpc-50的fe2p元素的高分辨xps谱图,图中734.1ev、726.0ev、724.1ev为fe2p1s的结合能,720.4ev、712.2ev、710.9ev为fe2p3s结合能出峰位置,在晶格点处fe以2p轨道和o结合成键。图6为cpc-50的n1s元素的高分辨xps谱图,图中404.4ev、401.1ev、400.1ev、398.8ev处峰均代表cpc-50组分中g-c3n4的不同类型c-n的结合能。图5为cpc-50的o1s元素的高分辨xps谱图,o-fe和o-sn键的xps特征峰出现在529.6ev结合能处,532.9ev和531.5处的结合能分别为c-o、c=o,这表明复合材料是中存在c-o键;由于在sn-α-fe2o3单体催化剂中并不存在c元素、g-c3n4不存在o元素,因此分析在sn-α-fe2o3/g-c3n4复合材料中,是通过c-o化学键构筑了sn-α-fe2o3和g-c3n4的异质界面。

3、sn-α-fe2o3/g-c3n4的ft-ir分析

图7给出了sn-α-fe2o3、g-c3n4、cpc-50和calcined-cpc的ft-ir谱图。在451cm-1和552cm-1红外吸收峰为fe-o的eu振动模式,803cm-1的振动吸收带的来源是七嗪结构单元的特征弯曲振动,1173cm–1、1294cm–1、1378cm–1的红外特征峰归属芳香烃sp3杂化的c-n伸缩振动,1628cm–1为sp2杂化的c=n的伸缩振动。3537cm–1的较宽的吸收峰则是由于催化剂表面吸附的水分子的o-h伸缩振动引起的。对比sn-α-fe2o3和g-c3n4特征吸收峰,在复合材料cpc-50和calcined-cpc中,随g-c3n4引入1173、1294、1378cm–1等位置的特征峰吸收强度增加,进一步说明得到了sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂。

4、sn-α-fe2o3/g-c3n4的eis分析

eis的半圆直径越小表明半导体材料对载流子的阻碍能力越小。图8为sn-α-fe2o3、g-c3n4、cpc-50和calcined-cpc的eis图,图中各半导体催化剂的eis半圆的直径顺序为:cpc-50<calcined-cpc<sn-α-fe2o3<g-c3n4,cpc-50(g-c3n4的质量分数为50%的sn-α-fe2o/g-c3n4)复合材料具有最强的载流子转移能力。分析复合样品具有较小eis半圆直径的原因:红外测试表明七嗪结构单元的g-c3n4具有sp3杂化的c-n和sp2杂化的c=n,n原子上具有孤电子对,g-c3n4结构本身也具有相对较高的电子云密度,易实现电子和空穴转移;同时sn掺杂引入的异质元素使sn-α-fe2o/g-c3n4表面形成氧空位和缺陷,在sn-α-fe2o/g-c3n4内部形成正负电荷中心,促进电子的移动。

5、sn-α-fe2o3/g-c3n4的形貌结构分析

如图9-图12所示,g-c3n4粒子呈现片状,颗粒直径在0.865um左右;sn-α-fe2o3由46~100nm的纳米实心颗粒构成。复合样品cpc-50的fesem图中观察到尺寸较小额颗粒状物质和轻微团聚的片状结构。进一步通过tem观察cpc-50的表面形貌,颗粒状的sn-α-fe2o3均匀的沉积在g-c3n4片上,sn-α-fe2o3与g-c3n4的分散良好,构成了均匀、稳定的异质界面。

6、sn-α-fe2o3/g-c3n4的可见光催化性能分析

sn-α-fe2o3/g-c3n4的催化活性评估通过可见光催化还原cr(vi)进行,在300.00ml50mg/l的cr(vi)溶液中,加入300mg复合催化剂,避光磁力搅拌至吸附-脱附平衡;加入柠檬酸作为空穴捕捉剂、光催化反应体系使用1mol/lh2so4调整溶液ph值为3,在25℃、200w氙灯照射下驱动光催化发应。cr(vi)水溶液的浓度利用二苯基碳酰二肼法、在其最大吸收波长λmax=540nm处检测其吸光度。图13为sn-fe2o3、g-c3n4、cpc-40~60和calcined-cpc可见光催化还原cr(vi)的光催化活性比较图,如图13所示。经过60min的暗吸附,所制材料基本达到吸附脱附平衡。在可见光照射的光催化反应过程中,溶剂热法制备的cpc-40~60的光催化活性>calcined-cpc>g-c3n4>sn-α-fe2o3。根据阻抗测试结果,溶剂热合成得到的sn-α-fe2o3/g-c3n4复合材料在光照过程中产生的载流子的迁移阻力小,以更快的速率参与可见光催化还原cr(vi),具有增强的光催化活性高。

7、sn-α-fe2o3/g-c3n4的光催化原理分析

根据测试·o2-和·oh的epr结果:sn-α-fe2o3能够产生强的·o2-信号峰、且与g-c3n4信号峰形状一致,说明sn-α-fe2o3的导带位置高于-0.33ev。此外,由于sn-α-fe2o3带隙为2.05ev,因此sn-α-fe2o3的价带位置高于1.72ev。另一方面,g-c3n4的价带和导带位置分别-1.2ev、1.5ev,因此光生载流子不论是何种传递方式,都无法产生·oh。推测光生载流子的传递过程中e-通过异质界面聚集在g-c3n4的导带位置,载流子以z型传递模式进行光磁化反应。

sn-α-fe2o3+hv→sn-α-fe2o3(hvb+)+sn-α-fe2o3(ecb-)(1)

g-c3n4+hv→g-c3n4(hvb+)+g-c3n4(ecb-)(2)

sn-α-fe2o3(ecb-)+g-c3n4(hvb+)→hv(荧光或热辐射)(3)

o2+g-c3n4(ecb-)→·o2-(4)

h++·o2+cr(vi)→cr(iii)(5)

·ho2+sn(4+)+e-→sn3++o2+h+(6)

sn3++cr(vi)→cr(iii)+sn4+(7)

sn-α-fe2o3(hvb+)+ca→co2+h2o(8)

如式(1)至式(8)所示,在可见光照射sn-α-fe2o3/g-c3n4复合材料时,sn-α-fe2o3和g-c3n4都能产生光生载流子,sn-α-fe2o3的导带电子转移到g-c3n4的价带h+发生复合,有效提高sn-α-fe2o3和g-c3n4的光生电子和空穴的分离。载流子分离的结果体现在:聚集在g-c3n4导带的e-和水中溶解o2结合生成·o2-,e-与sn-α-fe2o3的sn4+结合生成sn3+,将cr(vi)还原为cr(iii)。生成的·o2-和水中h+结合生成·ho2可将cr(vi)还原为cr(iii)。聚集在sn-α-fe2o3价带的h+参与氧化柠檬酸生成co2和h2o,有效减缓载流子在催化剂的体相中复合。由此可知,sn-α-fe2o3能够和g-c3n4构成z型异质结,促进光生电子和空穴的分离和转移,sn-α-fe2o3表面具有的sn4+可作为活性位点参与反应,提高还原cr(vi)的反应速率。

综上所述,本发明公开的一种光催化还原含铬(vi)废水复合催化剂的制备方法,利用sn掺杂改性α-fe2o3,可以在α-fe2o3的表面形成氧空位、同时形成杂质能级,减弱了电子移动的阻抗特性、提高载流子的移动速度,从而提高α-fe2o3的催化活性;进一步利用二维层状结构的非金属导电聚合物石墨相氮化碳(g-c3n4),构筑sn-α-fe2o3/g-c3n4异质结,进一步提高载流子的分离,获得高效、可见光催化还原水中cr(vi)的催化剂。此种复合催化剂在一定条件下有着极其优异的cr(vi)催化效率,可见光照射含cr(vi)水溶液90min时,sn-α-fe2o3含量为50%的sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂对cr(vi)的光催化还原率达100%。sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂具有优异的光催化活性的主要原因是sn-α-fe2o3和g-c3n4具有匹配的能带结构和紧密的界面,形成的内界电场有效提升了光生载流子的转移、分离和利用。本发明公开的制备方法便于推广,效果优异,制备的sn-α-fe2o3/g-c3n4复合催化剂具备较好的应用前景。

以上所述,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已通过上述实施例揭示,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

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