一种Fe2O3/ZnFe2O4复合光催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于光催化材料技术领域，具体的涉及一种Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

光催化技术是一种环境友好型技术，光催化材料能够利用太阳光分解水制氢获得可再生能源，此外还可以应用于环境净化，解决人类发展所面临的能量与环境问题。二氧化钛作为一种半导体光催化剂，具有无毒、廉价、无二次污染的优点，其在环境污染降解、光分解水制氢等领域有广泛的应用前景。

ZnFe₂O₄是一种稳定的尖晶石材料，具有相对较小的带隙和稳定的光化学特性，在颜料、磁性材料、光化学分解水制氢和锂离子电池的阳极材料等领域都有着广泛的应用，而且ZnFe₂O₄还是可见光降解有机污染物的高效光催化剂。在已有的优势上如何进一步提高其光催化效率成为人们研究的重点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂的制备方法，此制备方法简单、方便、低成本、条件温和、有利于大规模制备。

本发明采用的技术方案为：一种Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂，制备方法包括如下步骤：

1)Fe₂O₃球制备：向二甲基甲酰胺溶液中加入硝酸铁，磁力搅拌下，加酸调节溶液的pH值为2-3，继续搅拌，将所得溶液放入马弗炉中，于100-150℃下反应10-15h，产物经离心、清洗、烘干得到Fe₂O₃球；

2)ZnFe₂O₄的制备：将硝酸铁用去离子水溶解，加入ZnCl₂搅拌至溶解，再加入NaOH搅拌至溶解；将所得溶液放入马弗炉中，于150-200℃下反应15-20h，产物经离心、清洗、烘干得到ZnFe₂O₄；

3)Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂：将Fe₂O₃球和ZnFe₂O₄混合后，加入有机溶剂进行超声分散，于65-75℃下烘干，将得到的固体粉末放在真空炉中焙烧，得到Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂，所述的二甲基甲酰胺溶液的体积百分浓度为60-70％。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂，所述的酸为硝酸。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂，步骤2)中，按摩尔比，硝酸铁:ZnCl₂＝1.5-2.5:1。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂，步骤3)中，按摩尔比，Fe₂O₃球:ZnFe₂O₄＝1:1。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂，步骤3)中，所述的有机溶剂是乙醇或甲醇。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂，步骤3)中，于真空炉中，温度为180-200℃下，焙烧2-3h。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂在降解有机污染物中的应用。方法如下：在可见光照射下，向含有有机污染物的容器中加入上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂，即可将有机物进行降解。

本发明具有以下有益效果：

Fe₂O₃是一种非金属N型半导体，由于其具有良好的化学稳定性、热学稳定性以及光电特性而受到人们的广泛关注，其禁带宽度为2.1eV，可以吸收波长小于600nm的可见光，但是其光生电子-空穴易复合，量子效率低。为了拓宽Fe₂O₃的光谱响应范围，本发明将Fe₂O₃和与其能级匹配的ZnFe₂O₄相复合，利用两种半导体之间的能级差能使光生载流子由一种半导体微粒的能级注入到另一种半导体的能级上，使光生电子-空穴有效分离，提高两种半导体光量子效率。

Fe₂O₃和ZnFe₂O₄受光照射之后产生电子和空穴，ZnFe₂O₄产生的电子注入到Fe₂O₃的导带，而Fe₂O₃的价带中的空穴注入到ZnFe₂O₄的价带，从而促进了光生电子与空穴的分离，提高了光催化效果。除此之外，还可以利用ZnFe₂O₄的磁力效应进行有效的回收再利用，可以应用于大规模生产。

附图说明

图1为实施例1中获得的Fe₂O₃球的XRD图。

图2为实施例1中获得的ZnFe₂O₄的XRD图。

图3为实施例1中获得的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂的XRD图。

图4为实施例1中获得的Fe₂O₃球的SEM图。

图5为实施例1中获得的ZnFe₂O₄的SEM图。

图6为实施例1中获得的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂的SEM图。

图7为Fe₂O₃、ZnFe₂O₄和Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂在光催化降解异丙醇气体的活性对比图。

具体实施方式

实施例1 Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂

(一)Fe₂O₃球的制备：

1)分别量取10ml去离子水和20ml二甲基甲酰胺，倒入带有磁力转子的50ml烧杯中，磁力搅拌20min至溶液溶解均匀，得到二甲基甲酰胺溶液。

2)向二甲基甲酰胺溶液中加入5g九水硝酸铁，磁力搅拌30min。然后，向溶液中逐滴加入硝酸溶液，调节溶液的pH值到2，再磁力搅拌30min。

3)将步骤2)得到的溶液倒入50ml水热釜中，在120℃的马弗炉中高温反应10h(升温速率为3℃/min)。

4)水热反应完成之后，离心，用去离子水清洗3次，在70℃的烘箱中烘干，干燥之后研磨得到相貌规则的Fe₂O₃球。

将得到的Fe₂O₃球进行XRD测试，结果如图1所示，从图中可以看出样品具有较好的结晶度；再将Fe₂O₃球进行SEM测试，结果如图4所示，从图中可以看出样品为球形。

(二)ZnFe₂O₄的制备：

1)将4.04g(0.01mol)的九水硝酸铁加入30ml去离子水溶液中，磁力搅拌30min至溶解均匀。

2)向步骤1)得到的溶液中加入0.68g(0.005mol)ZnCl₂，磁力搅拌至溶解均匀，再加入4.40g(0.110mol)NaOH，磁力搅拌至溶解均匀，然后大力搅拌2h直到溶液溶解完全均匀。

3)将步骤2)得到的溶液转移到50ml反应釜中，放入马弗炉中，于180℃下反应17小时(升温速率为3℃/min)。

4)水热反应完成之后，离心，用去离子水清洗3次，在70℃的烘箱中烘干，干燥之后研磨得到介孔ZnFe₂O₄。

将得到的样品ZnFe₂O₄进行XRD测试，结果如图2所示，从图中可以看出样品具有较好的结晶度；将得到的样品ZnFe₂O₄进行SEM测试，结果如图5所示，由图5可看出样品为介孔，颗粒大小不等，并没有规则的形貌。

(三)Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂的制备

1)按摩尔比1:1，取步骤1)制备的Fe₂O₃球和步骤2)制备的ZnFe₂O₄，加入到带有转子的烧杯中，加入乙醇溶液进行超声分散约120min。

2)待Fe₂O₃球和ZnFe₂O₄完全分散后，转移到培养皿中，在70℃烘箱中烘干。

3)将步骤2)得到的固体粉末在200℃的真空炉中焙烧2h(升温速率5℃/min)。最终得到Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂。

将得到的样品Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂进行XRD测试，结果如图3所示，从图中可以看出样品具有较好的结晶度。将得到的样品Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂进行SEM测试，结果如图6所示，从图中可以看出Fe₂O₃和ZnFe₂O₄复合到了一起。

实施例2 Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂的应用

分别将实施例1制备的Fe₂O₃球、ZnFe₂O₄和Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂进行光催化剂材料性能测试。

测试过程为：分别将实施例1制备的Fe₂O₃球、ZnFe₂O₄和Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂放于不同的4cm²玻璃槽中，将载有光催化剂的玻璃槽分别放入内含一个大气压空气的224ml反应器中，以300W氙灯为光源，光电流调节到20mA位置，调节光强中心正照射到样品表面，固定好位置，最后向反应器中注入10ul异丙醇液体，光照30min之后，抽取第一针，这样每隔30分钟抽取一针，进行测试，记录异丙醇的峰面积，结果如图7所示。

如图7所示，从图中可以看出在150min之内，Fe₂O₃降解了50％的异丙醇气体，ZnFe₂O₄降解了60％的异丙醇气体，Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂降解了80％的异丙醇气体，从而可以看出Fe₂O₃/ZnFe₂O₄复合光催化剂的光催化活性比Fe₂O₃和ZnFe₂O₄的要高。