双功能β-FeOOH/eg-C3N4复合纳米材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种双功能β-feooh/eg-c3n4复合纳米材料的制备方法,属于无机/有机复合纳米材料的绿色制备技术领域。

背景技术：

纳米级的铁氧化物由于具有超强的吸附能力、极好的流动稳定性和较低廉价格等优点，已经成为国际水处理剂的研究热点,其中针状β-feooh是一类集吸附与光催化于一体的半导体材料，其晶体结构中层与层之间以氢键相结合，并且由于纳米材料独特的自组现象，使其不仅在环境保护、催化剂、生物医学等方面得到了广泛应用，而且是一类极具开发前途的纳米结构材料。但将β-feooh用于处理环境污染物降解，存在以下主要缺点:(1)在ph值2.5-3.5范围内进行，需消耗大量酸，且酸性水环境中铁浸出严重；(2)有机复杂因素下芬顿活动价低。近年来，异质光催化和芬顿催化作为降解水体和土壤中有机物的环保型方法得到了广泛的研究，然而，非均相铁基芬顿催化剂由于暴露铁活性位点少，且在非均相芬顿反应过程中fe(iii)/fe(ii)循环缓慢，效率较低，阻碍了其在水环境处理领域的广泛应用。因此，构建稳相、高活性的β-feooh复合材料非常有必要。石墨相氮化碳(g-c3n4)由于其廉价、易得的优点，广泛应用于光催化分解水制氢以及光催化降解污染物等领域，但由于其比表面积小、光生载流子易于复合等缺陷，限制了其光电催化活性进一步的提升，因此，将g-c3n4与β-feooh复合是提高其稳定性及光电催化活性的有效策略之一。

目前，在制备β-feooh通常是采用feso4为原料，加入naoh或na2co3或尿素等沉淀剂在碱性条件下制备，步骤比较复杂繁琐，且未见β-feooh与g-c3n4复合的制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种稳态、高活性的β-feooh/eg-c3n4具有双功能的纳米复合物催化剂的制备方法，即拥有较高的光电催化析氢(her)以及优良的光催化降解染料性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：双功能β-feooh/eg-c3n4复合纳米材料的制备方法，包括以下步骤：以水为溶剂，加入适量eg-c3n4，调节溶液ph，再加入适量铁盐，超声，洗涤，干燥，得到β-feooh/eg-c3n4复合纳米材料。

按上述方案，所述干燥温度为50～80℃，干燥时间10～12h。

按上述方案，所述铁盐为fecl3·6h2o，fe2(so4)3或fe(no3)3·9h2o。

按上述方案，调节ph采用盐酸，盐酸浓度为4～8mol/l，调节溶液ph0.5～3。

按上述方案，所述铁盐与eg-c3n4的质量配比为0.5:1～2:1。

按上述方案，所述的eg-c3n4的制备方法包括有以下步骤：称取适量三聚氰胺第一次煅烧，得到bulkg-c3n4；然后加适量水超声一段时间后干燥，再进行二次煅烧，得到超薄的eg-c3n4。

按上述方案，所述的第一次煅烧是以5℃/min速率升温至500～600℃煅烧4～6h，所述的第二次煅烧是快速升温至550℃煅烧4～6h。

按上述方案，所述的超声时间0.5～1h，所述的干燥温度是105～120℃，所述的干燥时间是2h。

上述方案所得的双功能β-feooh/eg-c3n4复合纳米材料。

所述的双功能β-feooh/eg-c3n4复合纳米材料作为高光电催化析氢(her)(塔菲尔斜率可达87.2mv/decade)以及优良的光催化降解染料(光照20min，10mg/mlrhb的降解率为100.0％)材料的应用。

本发明仅使用水为溶剂，加入铁盐和eg-c3n4，经过超声波和界面水分子的剧烈反应，制备稳态、高活性的β-feooh/eg-c3n4复合纳米材料，所得材料不仅具有良好的处理染料污染水的性能，同时还具有电催化分解水析氢的能力。其中以fecl3·6h2o为原料制备的β-feooh/eg-c3n4的结晶性最高和光吸收能力最强，且fecl3·6h2o:eg-c3n4的比例为0.5:1、1.0:1、1.5:1、2.0:1，当比例为1.5:1的β-feooh/eg-c3n4的塔菲尔斜率最小为87.2mv/decade，10mg/mlrhb溶液光照20min后降解率为100％，具有较好的her的性能和光催化降解染料的性能。

本发明的优点是：操作简单易行,反应条件温和，整个过程避免了除原料外其他化学试剂和溶剂的使用，无副产物的生成，实现了复合与纳米晶生长的同步化，成本低廉，绿色环保，可满足产业化应用的要求。通过本发明所述的方法制备的β-feooh/eg-c3n4纳米棒状复合物催化剂，具有在可见光下光催化降解染性能，同时还有着电催化分解水产氢的能力。

附图说明

图1为实施例1中得到β-feooh/eg-c3n4复合材料：(a)tem图，(b)hrtem图，(c)电子衍射图；

图2为不同铁源所制备的β-feooh/eg-c3n4复合材料的xrd图；

图3为实施例1中得到β-feooh/eg-c3n4复合材料：(a)交流阻抗图，(b)光电流图；

图4为不同铁盐和不同比例制备所得到的β-feooh/eg-c3n4复合材料的tafel斜率曲线：(a)不同铁盐，(b)不同比例；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

(1)eg-c3n4的制备

取18g三聚氰胺于坩埚中，置于马弗炉中以5℃/min的升温速度加热到550℃，煅烧4h，得到黄色bulkg-c3n4。取6gg-c3n4于坩埚中，加适量水超声1h后置于120℃烘箱中干燥2h，冷却后再置于马弗炉中加热到550℃，继续煅烧4h，冷却后得到eg-c3n4。

(2)β-feooh/eg-c3n4的制备

取100mg的eg-c3n4粉末放入100ml的烧杯中，随后加入50ml的去离子水，再用6mol/l的盐酸调节ph＝2。再加入142mg的fecl3·6h2o后超声6h，离心分离，产物分别用乙醇和纯水洗涤3次，放入60℃烘箱中干燥12h。

所得产物形貌、结构和成分经透射电镜图(tem)、高分辨透射电镜图(hrtem)、选区电子衍射图(sade)和x射线衍射图(xrd)进行表征。图1a是棒状形貌β-feooh掺杂在超薄eg-c3n4片上的tem图。图1b是棒状β-feooh的hrtem图，图1c是棒状β-feooh的sade图。由图1b得出棒状β-feooh的晶格间距分别为0.331nm和0.252nm；从图1c可以看出β-feooh为单晶结构，(211)晶面晶格间距为0.255nm，(310)晶面晶格间距为0.333nm；均与四方相β-feoohjcpdsno.34-1266标准卡片相吻合，证实已制备出β-feooh。

从图2可以看出，在27.4°处有一个明显的衍射峰，层间距d＝0.325nm，对应g-c3n4的(002)晶面，为芳香物层间堆积峰，其余的衍射峰均为四方相β-feooh的衍射峰，且与jcpdsno.34-1266标准卡片相吻合，进一步证实成功的制备了β-feooh/g-c3n4复合物。

实施例2

(1)eg-c3n4的制备

取6g三聚氰胺于坩埚中，置于马弗炉中以5℃/min的升温速度加热到550℃，煅烧4h，得到黄色的eg-c3n4。取3g-c3n4于坩埚中，加适量水超声1h后置于120℃烘箱中干燥2h，冷却后再置于马弗炉中加热到550℃，继续煅烧5h，冷却后得到eg-c3n4。

(2)β-feooh/eg-c3n4的制备

取50mgeg-c3n4粉末放入100ml的烧杯中，加入50ml的去离子水，再用6mol/l的盐酸调节溶液ph＝1，超声1h后，加入94mg的fecl3·6h2o，继续超声4h，离心分离，产物分别用乙醇和纯水洗涤3次，放入60℃烘箱中干燥12h。

实施例3

(1)eg-c3n4的制备

取9g三聚氰胺于坩埚中，置于马弗炉中以5℃/min的升温速度加热到550℃，煅烧4h，得到黄色bulkg-c3n4。取3g-c3n4于坩埚中，加适量水超声1h后置于120℃烘箱中干燥2h，冷却后再置于马弗炉中加热到550℃，继续煅烧4h，冷却后得到eg-c3n4。

(2)β-feooh/eg-c3n4的制备

取200mg的eg-c3n4粉末放入100ml的烧杯中，加入100ml的去离子水，再用6mol/l的盐酸调节溶液ph＝0.5，超声1h后，加入378mgfecl3·6h2o，超声6h，离心分离，产物分别用乙醇和纯水洗涤3次，放入60℃烘箱中干燥12h。

实施例4

(1)eg-c3n4的制备

取3g三聚氰胺于坩埚中，置于马弗炉中以5℃/min的升温速度加热到550℃，煅烧4h，得到黄色bulkg-c3n4。取3gg-c3n4于坩埚中，加适量水超声0.5～1h后置于120℃烘箱中干燥2h，冷却后再置于马弗炉中加热到550℃，继续煅烧4h，得到淡黄色的产物，记为eg-c3n4。

(2)β-feooh/eg-c3n4的制备

取25mg的eg-c3n4粉末放入100ml的烧杯中，加入25ml的去离子水，再用6mol/l的盐酸调节溶液ph＝0.5，超声0.5h后，加入47mg的fecl3·6h2o，继续超声2h，离心分离，产物分别用乙醇和纯水洗涤3次，放入60℃烘箱中干燥10h。

实施例5电化学性能测试

(1)β-feooh/eg-c3n4/gce制备：准确称取实施例1中所制备且已研磨好的β-feooh/eg-c3n4粉末4mg，将其分散于1ml超纯水中，超声30min使其分散均匀，制成4mg·ml^-1的分散液。用微量进样器取5μl上述分散液滴涂在处理好的gce表面，干燥后即可得到β-feooh/eg-c3n4/gce。

(2)阻抗测试：将处理好的β-feooh/eg-c3n4/gce电极置于5mmol铁氰化钾+亚铁氰化钾和0.1molkcl的混合溶液中，用甘汞电极为参比电极，铂丝为对电极，测得复合材料的阻抗如图3a所示，由图可见β-feooh/eg-c3n4复合材料的在高频区的能奎斯特半圆弧比eg-c3n4的半圆弧小，纯β-feooh和eg-c3n4的阻抗分别是β-feooh/eg-c3n4复合材料的2.56倍和1.47倍，表明复合材料具有更小的阻抗值和更强的电子传输能力，表面暴露活性位点的增加，加速了电极表面电子传递速率。

(3)光电流测试：pt为对电极，ag/agcl为参比电极，β-feooh/eg-c3n4/gce电极为工作电极，1mol·l^-1硫酸钠为电解液，300w氙灯为光源，测得复合材料的光电流图如图3b所示。eg-c3n4样品产生的光电流值为1.52μa·cm^-2，而β-feooh与eg-c3n4的复合增强了电极的光电流密度，使其光电流密度增加到2.53μa·cm^-2，约为eg-c3n4样品光电流密度的1.6倍，增加了光生e^-和h⁺的分离效率，具有更高的光电催化活性。

(4)tafel斜率曲线测试：不同条件制备的β-feooh/eg-c3n4修饰gce获得不同的工作电极，分别置于5ml0.5mol·l^-1的硫酸溶液中活化30min，然后以甘汞电极为参比电极，碳棒为对电极，氙灯为光源，测得到复合材料tafel斜率曲线如图4所示。不同铁盐(fecl3·6h2o，fe2(so4)3，fe(no3)3·9h2o)制备的β-feooh/eg-c3n4/gce复合材料tafel斜率曲线中，以fecl3·6h2o为原料制备的β-feooh/eg-c3n4tafel斜率最小(图4a)，且fecl3·6h2o:eg-c3n4的比例为1.5:1的β-feooh/eg-c3n4的塔菲尔斜率最小为87.2mv/decade(图4b)，具有较好的her的性能。

实施例6光催化性能测试

将25mg的光催化剂(实施例1制备)加入到50ml浓度为10mg/ml的rhb溶液中，暗处搅拌30min，加入2ml10mmol/l的h2o2，pls-sxe300w氙灯光照20min，rhb的降解率为100.0％。