磁性纳米光催化剂及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁性纳米光催化剂及其制备方法和应用，属于光催化材料、复合材料及磁性材料领域。
【背景技术】
[0002]近年来，全球环境污染日益加重，同时面临严峻的能源危机，全世界各国的科学家们都在寻求即环保又节能的新方法。光催化可将太阳光转化为我们所需的化学能，电能等可用能源，同时可直接降解反应中的水和空气中的各种污染成分，因此光催化在环境净化和新能源开发领域具有巨大的研究潜力。利用光催化可以实现通过其他反应得不到的效果，通过对光强、光波长的控制，来确定反应的速度及选择性，这一方法具有成本低，无污染的优点，对于从根本上解决能源短缺和环境污染问题具有重要的意义。
[0003]纳米1102具有优异的化学稳定性、热稳定性、无毒性等性能，是一种纳米光催化剂，可利用可见光进行催化反应，能够把多种有机污染物催化降解为水和C02，广泛应用于工业废水降解、空气净化等多种领域。纳米Ti02粉体较难回收，难以循环利用，导致纳米Ti02用作光催化反应成本更较高而无法工业化生产及应用。与磁性铁元素复合，增加了复合物磁性性能，将从根本上解决与其他物质分离这个难题，倍受研究学者的青睐。
[0004]通常，磁性纳米催化剂的制备方法是先合成纳米Fe304颗粒，然后在颗粒表面覆盖钛层，最后通过焙烧得到表面为纳米Ti02的催化剂产品，或者得到纳米Fe 304颗粒后，直接在其表面覆盖一层具有光催化性能的纳米Ti02，通过焙烧得到最终的复合材料。纳米Ti02粉末催化剂较难回收，导致利用率较低。磁性纳米光催化剂的常用方法周期长，步骤繁琐，且不易控制纳米颗粒的粒径及粒径分布情况。
【发明内容】
[0005]为了克服上述步骤，本发明提供了一种较简单，且易控制纳米颗粒粒径及粒径分布情况的磁性纳米光催化剂及其制备方法和应用。本发明制备方法是使钛盐溶液及铁盐溶液同时在具有分散作用的还原溶剂中还原，分离、焙烧后，得到分布均匀的复合型纳米钛、铁催化剂。
[0006]本发明技术方案如下:
[0007]—种磁性纳米光催化剂，其粉末微观颗粒具有Ti02催化层，所述催化层内部具有Fe304磁性核心。
[0008]优选地，所述磁性纳米光催化剂的平均粒径为2-120nm，优选为10-100nm，进一步优选为50nmo
[0009]优选地，所述磁性纳米光催化剂中金属的质量百分含量如下:
[0010]1102或 Ti98.5 % -99.5 %，优选为 99 % -99.5 %，进一步优选为 99 % ；
[0011 ] Fe304gSc Fe0.05% -1.5%,优选为 0.5% -1%,进一步优选为 1 %。
[0012]本发明还提供上述磁性纳米光催化剂的制备方法，包括以下步骤:
[0013]将钛盐溶液和铁盐溶液，同时滴加在含聚乙烯吡咯烷酮(即PVP)的无水乙醇溶液中，始终通入惰性气体，控制反应温度进行反应后，经冷却，离心分离，焙烧后，得粒径分布均匀的磁性纳米光催化剂。
[0014]上述磁性纳米光催化剂的制备方法，其中:
[0015]所述钛盐溶液为可溶性钛盐溶液，包括硝酸钛溶液，钛酸四丁酯溶液等中的一种或几种；所述铁盐溶液为可溶性盐溶液，包括氯化铁、硝酸铁等中的一种或几种。
[0016]优选地，所述钛盐溶液的质量分数为0.01 % -0.5 %,进一步优选为
0.01% -0.1% ；
[0017]优选地，铁盐溶液的质量浓度为1% -10%，进一步优选为1% -5% ;
[0018]优选地，所述钛盐与铁盐的摩尔比例为10:1-100:1，进一步优选为90:1-100:1 ；
[0019]所述含聚乙烯吡咯烷酮的无水乙醇溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为
0.003% -0.03%，进一步优选为 0.025% -0.029% ；
[0020]所述惰性气体为氮气、氩气、氦气等中的一种或几种；
[0021]所述反应温度为300-600 °C，优选为400-450 °C，进一步优选为430 °C ；
[0022]所述反应时间为l_12h，优选为2_4h，进一步优选为2h。
[0023]本发明还包括上述方法制得的磁性纳米光催化剂。
[0024]本发明还提供上述磁性纳米光催化剂的用途，所述用途包括在紫外光照射下降解有机污染物、杀死细菌，或用于半导体材料等。
[0025]本发明通过对纳米1102与Fe元素复合，可最大程度的提高二氧化钛光催化剂回收率。本发明的制备方法通过温和的反应条件，得到分布均匀的纳米钛、铁复合催化剂颗粒。由此方法得到的磁性纳米光催化剂，成分为0.05% -1.5%四氧化三铁，99.5% -98.5%二氧化钛。所得磁性纳米光催化剂颗粒粒径分布均勾，粒径可达10-100nm。磁性纳米光催化剂催化反应后，回收率可达99 %。
【具体实施方式】
[0026]以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0027]实施例1
[0028]—种磁性纳米光催化剂，其粉末微观颗粒具有Ti02催化层，所述催化层内部具有磁性核心Fe304;该磁性纳米光催化剂的平均粒径为lOOnm ;该磁性纳米光催化剂中金属的质量百分含量为:打02或1199% ；Fe 304或Fel%。
[0029]实施例2
[0030]—种磁性纳米光催化剂，其粉末微观颗粒具有Ti02催化层，所述催化层内部具有磁性核心Fe304;该磁性纳米光催化剂的平均粒径为20nm ;该磁性纳米光催化剂中金属的质量百分含量为:打02或Ti80% ；Fe 304或Fe20%。
[0031]实施例3
[0032]—种磁性纳米光催化剂，其粉末微观颗粒具有Ti02催化层，所述催化层内部具有磁性核心Fe304;该磁性纳米光催化剂的平均粒径为50nm ;该磁性纳米光催化剂中金属的质量百分含量为:打02或Ti90% ；Fe 304或Fel0%。
[0033]实施例4
[0034]—种磁性纳米光催化剂，其粉末微观的颗粒表面具有Ti02催化层，所述催化层内部具有磁性核心Fe304;该磁性纳米光催化剂的平均粒径为30nm ;该磁性纳米光催化剂中金属的质量百分含量为:!102或1188% ；Fe 304或Fel2%。
[0035]实施例5
[0036]本实施例提供实施例1所述磁性纳米光催化剂的制备方法，包括以下步骤:将质量分数1%硝酸钛溶液及质量分数0.05%硝酸铁溶液，同时滴加在含质量分数0.01% PVP的无水乙醇溶液，始终通入氩气，控制反应温度为430°C，反应lh后，经冷却，离心分离，焙烧后，得到磁性纳米光催化剂固体颗粒。回收率为85%。
[0037]实施例6
[0038]本实施例提供实施例2所述磁性纳米光催化剂的制备方法，包括以下步骤:将质量分数1%硝酸钛溶液及质量分数0.5%硝酸铁溶液，同时滴加在含质量分数0.001% PVP的无水乙醇溶液，始终通入氩气，控制反应温度为430°C，反应2h后，经冷却，离心分离，焙烧后，得到磁性纳米光催化剂固体颗粒，粒径为20nm。回收率为99%。
[0039]实施例7
[0040]本实施例提供实施例3所述磁性纳米光催化剂的制备方法，包括以下步骤:将质量分数1%硝酸钛溶液及质量分数0.45%硝酸铁溶液，同时滴加在含质量分数0.001% PVP的无水乙醇溶液，始终通入惰性气体氮气，控制反应温度为430°C，反应2h后，经冷却，离心分离，焙烧后，得到磁性纳米光催化剂固体颗粒，粒径为50nm。回收率为93%。
[0041]实施例8
[0042]本实施例提供实施例4所述磁性纳米光催化剂的制备方法，包括以下步骤:将质量分数1%硝酸钛溶液及质量分数0.4%硝酸铁溶液，同时滴加在含质量分数0.025% PVP的无水乙醇溶液，始终通入惰性气体氩气，控制反应温度为430°C，反应2h后，经冷却，离心分离，焙烧后，得到磁性纳米光催化剂固体颗粒，粒径为30nm。回收率为95%。
[0043]虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
【主权项】
1.一种磁性纳米光催化剂，其粉末微观颗粒具有Ti02催化层，所述催化层内部具有Fe304磁性核心。2.根据权利要求1所述的磁性纳米光催化剂，其特征在于，所述磁性纳米光催化剂的平均粒径为2_120nm，优选为10-100nm，进一步优选为50nm。3.根据权利要求1或2所述的磁性纳米光催化剂，其特征在于，所述磁性纳米光催化剂中金属的质量百分含量如下: 1102或 Τ?98.5 % -99.5 %，优选为 99 % -99.5 %，进一步优选为 99 % ； Fe304或 Fe0.05% -1.5%,优选为 0.5% -1%,进一步优选为 1 %。4.权利要求1-3任一项所述磁性纳米光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 将钛盐溶液和铁盐溶液，同时滴加在含聚乙烯吡咯烷酮的无水乙醇溶液中，始终通入惰性气体，控制反应温度进行反应后，经冷却，离心分离，焙烧后，得粒径分布均匀的磁性纳米光催化剂。5.权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述钛盐溶液为可溶性钛盐溶液，优选地，包括硝酸钛溶液，钛酸四丁酯溶液中的一种或几种； 优选地，所述铁盐溶液为可溶性盐溶液，包括氯化铁、硝酸铁中的一种或几种。6.权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述钛盐溶液的质量分数为0.01% -0.5%，优选为 0.01% -0.1% ； 优选地，铁盐溶液的质量浓度为1% -10%，进一步优选为1% -5%。7.权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述钛盐与铁盐的摩尔比例为10:1-100:1，进一步优选为 90:1-100:1。8.权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述含聚乙烯吡咯烷酮的无水乙醇溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为0.003% -0.03%，优选为0.025% -0.029%。9.权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或几种； 优选地，所述反应温度为300-600 °C，进一步优选为400-450 °C，更优选为430 °C ； 优选地，所述反应时间为l_12h，进一步优选为2-4h，更优选为2h。10.权利要求1-3任一项所述的磁性纳米光催化剂或权利要求4-8任一项所述方法制备的磁性纳米光催化剂的用途，所述用途包括在紫外光照射下降解有机污染物、杀死细菌，或用于半导体材料。
【专利摘要】本发明涉及一种磁性纳米光催化剂及其制备方法和应用，所述磁性纳米光催化剂其粉末微观颗粒具有TiO2的催化层，所述催化层内部具有Fe3O4磁性核心。所述制备方法是使钛盐溶液及铁盐溶液同时在具有分散作用的还原溶剂中还原，分离、焙烧后，得到分布均匀的复合型纳米钛、铁催化剂。本发明制备方法通过温和的反应条件对纳米TiO2与Fe元素复合，可最大程度的提高二氧化钛光催化剂回收率。
【IPC分类】A62D101/20, B01J23/745, B01J35/02, B82Y30/00, B82Y40/00, A62D3/176
【公开号】CN105396591
【申请号】CN201510907281
【发明人】高源 , 黎慧, 茹爱华
【申请人】上海源由纳米科技有限公司
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月9日