一种Fe3+/CdIn2S4/g-C3N4三元光芬顿催化剂的制备方法及其应用与流程

文档序号:17856048发布日期:2019-06-11 22:34阅读:306来源:国知局
一种Fe3+/CdIn2S4/g-C3N4三元光芬顿催化剂的制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元光芬顿催化剂的制备方法及其应用,属于光芬顿催化材料领域。



背景技术:

近年来,光催化技术凭借其绿色环保、可直接利用太阳能、矿化度高且不产生二次污染等优点,受到了国内外研究人员的广泛关注。

类石墨状氮化碳(g-c3n4),因其原料易得、价格低廉、制备方法简单、易于工业化、能带位置适宜、电子结构可调、热稳定性和化学稳定性良好等特性,成为光催化领域的热门研究材料。但其在实际应用方面却存在比表面积小、光响应范围窄、量子产率低和光催化活性不高等缺点,这是由于材料本身密集度高、能隙较宽(2.7ev),且只能利用460nm以下的太阳光。因此,如何改性g-c3n4成为当前研究的热点。

cdin2s4作为一种新型的尖晶石结构半导体,具有较窄的禁带宽度(2.1ev)、较宽的可见光响应范围和较高的光催化活性,但其价格昂贵,难以大范围运用于实际工业中。



技术实现要素:

本发明旨在提供一种fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元光芬顿催化剂的制备方法及其应用,该方法操作条件温和,可以增大光谱响应范围,有效降低其光生电子-空穴的复合率,有效提高g-c3n4光催化剂的催化活性;并将其应用于有机污染物的降解。

本发明首先将cdin2s4和g-c3n4相结合,通过二者匹配的能带结构,可进一步缩小g-c3n4的禁带宽度,提高g-c3n4的可见光响应范围,增强g-c3n4的光催化活性;此时cdin2s4/g-c3n4二元催化剂的吸附量小的缺点并未得到改善,将fe3+掺杂于cdin2s4/g-c3n4上,可增强其吸附能力,降低其光生电子-空穴的复合率,增加其催化活性。

本发明提供了一种fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元光芬顿催化剂,由以下重量配比的原料组成:

fe:0.03~0.48份

cdin2s4:3~12份

g-c3n4:100份。

本发明首先以g-c3n4为基底、cdin2s4为掺杂物合成二元复合物cdin2s4/g-c3n4;而后以二元复合物cdin2s4/g-c3n4为基底,再掺杂fe3+,合成三元光芬顿催化剂fe3+/cdin2s4/g-c3n4;最后构建fe3+/cdin2s4/g-c3n4-h2o2光芬顿体系于可见光下降解有机污染物。

本发明提供了上述fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元复合材料的制备方法,具体包括以下步骤:

(1)g-c3n4的制备:

将尿素(15g)放入带盖的铝坩埚中,然后在马弗炉中以5℃/min的加热速率升温,直至温度达到550℃,在空气气氛中保持4h;冷却至室温后,得浅黄色粉末,研磨后得g-c3n4产物;

(2)cdin2s4的制备:

将cd(no3)2·4h2o、incl3·4h2o和硫脲(h2ncsnh2)按1:2:8比例溶于适量蒸馏水中,于磁力搅拌器上连续搅拌1h后,转移到高压釜的聚四氟乙烯内衬中,密封,置于烘箱中加热至140℃保持12h,冷却至室温后,用蒸馏水和无水乙醇分别洗涤三次,之后用无水乙醇分散后于50℃烘箱中烘干备用;得产物cdin2s4;

(3)通过湿式浸渍法制备二元催化剂cdin2s4/g-c3n4:

将g-c3n4倒入50~100ml醇中,g-c3n4的浓度为5~10g/l,然后超声浴30~50min,以获得均匀的g-c3n4分散体;将cdin2s4加入上述溶液中得混合溶液a,继续超声处理30~50min,cdin2s4占g-c3n4的质量分数为3~12%;将混合溶液a在通风橱中搅拌18~30h;在醇挥发后,收集所得产物并在50~80℃下干燥8~12h,获得二元cdin2s4/g-c3n4催化剂;

(4)通过湿式浸渍-煅烧法制备三元催化剂fe3+/cdin2s4/g-c3n4:

首先,将提供fe3+的前驱体溶于乙醇溶液中(fe3+浓度为0.1~0.4g/l),再加入cdin2s4/g-c3n4超声分散30~90min,而后置于通风橱内搅拌12~48h,于50~100℃烘箱内干燥6~12h,收集,研磨后置于氧化铝坩埚中,于电炉内以5℃/min的升温速率加热至300~400℃,煅烧2~4h后,即可得到三元催化剂fe3+/cdin2s4/g-c3n4。fe3+和cdin2s4/g-c3n4的质量比是(1~4%)。

进一步地,步骤(3)中,所述醇为甲醇、乙醇中的一种。

进一步地,所述步骤(3)中,混合溶液a在通风橱中搅拌时间为24h。

进一步地,所述步骤(4)中提供fe3+的前驱体为硝酸铁、硫酸铁、碱式醋酸铁、氯化铁中的一种。

本发明提供了上述fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元光芬顿催化剂在可见光条件下降解有机污染物中的应用。

所述应用中,将fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元光芬顿催化剂用于降解有机污染物甲基橙染料,向20mg/l的甲基橙溶液中加入0.4~1.6g/l三元光芬顿催化剂,暗反应条件为避光条件下超声10~20min后磁力搅拌40~60min达到吸附-解吸平衡,然后打开光源,氙灯光源下照射60min,所述氙灯光源的波长λ>420nm;每隔10min取一个样,高速离心三次后取其上清液在最大吸收波长处测定吸光度,根据吸光度的值算出相应的浓度值;根据去除率公式(1)获得甲基橙的去除率:

(1)

其中:c0是甲基橙的初始浓度,mg·l-1

ct是t时刻后甲基橙的浓度,mg·l-1

所述的应用中,可以加入双氧水参与反应,将fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元光芬顿催化剂用于降解有机污染物甲基橙染料,向20mg/l的甲基橙溶液中加入0.4~1.6g/l三元光芬顿催化剂,暗反应条件为避光条件下超声10~20min后磁力搅拌40~60min达到吸附-解吸平衡,然后打开光源,随后,同时加入1~10mmh2o2,反应时间为18min,每隔3min取一个样,高速离心三次后取其上清液在最大吸收波长处测定吸光度。

所述的fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元光芬顿催化剂对甲基橙染料的去除率在60min内可达到85%以上,而fe3+/cdin2s4/g-c3n4-h2o2光芬顿体系对甲基橙染料的去除率在9min内即可达到90%以上。

本发明的有益效果:

(1)本发明的制备方法简便且易于操作,原料廉价易得;易于通过简单的过程即可制备得到fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元光芬顿催化剂;

(2)本发明制备的新型fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元光芬顿催化剂是一种高效、优异的可见光光催化剂,用fe3+和cdin2s4共同掺杂改性g-c3n4,不仅可利用cdin2s4的能隙窄、可见光响应范围宽和光催化性能里良好的优势,还可结合fe3+的吸附性能、芬顿氧化活性和光生电子捕获能力,因此可显著改善g-c3n4吸附能力差、量子产率低、可见光响应范围窄以及光生电子空穴复合率高等缺点。

(3)本发明制备的新型fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元催化剂无论吸附性能还是光催化效果都高于纯g-c3n4、纯cdin2s4和二元复合物cdin2s4/g-c3n4。

(4)本发明制备的催化剂在可见光下降解模型污染物甲基橙染料时,60min即可达到85%以上的去除率,构建的fe3+/cdin2s4/g-c3n4-h2o2光芬顿体系更是在9min内就可达到90%以上的去除率。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备样品g-c3n4、7cdin2s4/g-c3n4和2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4的xrd图谱。

图2为本发明实施例1中制备样品2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4的sem图。

图3为本发明实施例1中制备样品(g-c3n4、7cdin2s4/g-c3n4和2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4)的drs图谱。

图4为本发明实施例1中制备样品(g-c3n4、7cdin2s4/g-c3n4和2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4)的hv图。

图5为本发明实施例1中制备样品(g-c3n4、7cdin2s4/g-c3n4和2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4)的pl图谱。

图6为本发明实施例1中不同fe3+掺杂量的fe3+/7cdin2s4/g-c3n4三元光催化剂对20mg/l甲基橙的降解效果图。

图7为本发明实施例4中不同h2o2用量的2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4-h2o2光芬顿体系对20mg/l甲基橙的降解效果图。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明,但不局限于以下实施例。

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的描述。特此说明:本实施例以本技术方案为前提,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围并不限于本实施例。

实施例1:

(1)制备fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元复合物:

①通过煅烧法制备单体g-c3n4。将尿素(15g)放入带盖的铝坩埚中,然后在马弗炉中以5℃/min的加热速率升温,直至温度达到550℃,在空气气氛中保持4h。冷却至室温后,得浅黄色粉末,研磨后得g-c3n4产物。②通过水热法制备单体cdin2s4。将cd(no3)2·4h2o、incl3·4h2o和硫脲(h2ncsnh2)按1:2:8比例溶于适量蒸馏水中,于磁力搅拌器上连续搅拌1h后,转移到高压釜的聚四氟乙烯内衬中,密封,置于烘箱中加热至140℃保持12h,冷却至室温后,用蒸馏水和无水乙醇分别洗涤三次,之后用无水乙醇分散后于50℃烘箱中烘干备用。得产物cdin2s4。③通过湿式浸渍法制备二元催化剂7cdin2s4/g-c3n4。将0.5gg-c3n4倒入50ml醇中,然后超声浴30min,以获得均匀的g-c3n4分散体。得溶液a。将0.035g的cdin2s4,加入溶液a中,继续超声处理30min,cdin2s4与g-c3n4的质量比为7%。得溶液b。将溶液b在通风橱中搅拌24h。在醇挥发后,收集所得产物并在50℃下干燥一整夜。获得7cdin2s4/g-c3n4材料。④通过湿式浸渍-煅烧法制备三元催化剂fe3+/7cdin2s4/g-c3n4。首先,将0.025、0.05、0.075、0.1gfecl3·6h2o溶于50ml乙醇溶液,再加入0.5g7cdin2s4/g-c3n4超声分散30min,而后置于通风橱内搅拌24h,于60℃烘箱内干燥8h,收集,研磨后置于氧化铝坩埚中,于电炉内以5℃/min的升温速率加热至400℃,煅烧2h后,即可得到三元催化剂1fe3+/7cdin2s4/g-c3n4、2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4、3fe3+/7cdin2s4/g-c3n4和4fe3+/7cdin2s4/g-c3n4。

(2)光催化性能评价:

光催化反应在中教金源光反应箱中进行,以搭载420nm滤光片的300w氙灯模拟可见光光源。首先配制250ml浓度为20mg/l的甲基橙溶液,然后加入0.25gg-c3n4、7cdin2s4/g-c3n4、1fe3+/7cdin2s4/g-c3n4、2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4、3fe3+/7cdin2s4/g-c3n4和4fe3+/7cdin2s4/g-c3n4催化剂,避光条件下超声分散10min后磁力搅拌40min达到吸附-解吸平衡。随后打开光源,反应时间为60min,每隔10min取一个样,高速离心三次后取其上清液在最大吸收波长处测定吸光度。根据光照前后的吸光度,得到甲基橙的具体降解情况(如图6所示)。在此条件下,单体g-c3n4、二元催化剂7cdin2s4/g-c3n4、三元催化剂1fe3+/7cdin2s4/g-c3n4、2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4、3fe3+/7cdin2s4/g-c3n4和4fe3+/7cdin2s4/g-c3n4对甲基橙的暗吸附量分别为5.18%、5.63%、25.53%、26.81%、31.26%、37.19%,60min内对甲基橙的降解率分别为34.85%、58.59%、75.68%、85.98%、87.71%和85.64%。

图1为本发明实施例1中制备样品(g-c3n4、7cdin2s4/g-c3n4和2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4)的xrd图谱,由图可知,二元催化剂7cdin2s4/g-c3n4和三元催化剂2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4中,都具有g-c3n4(jcpdsno.87-1526)和cdin2s4(jcpdsno.27-0060)的特征峰,说明g-c3n4和cdin2s4成功复合。至于fe3+的特征峰则没有检测到,这可能是由于掺杂量太低的缘故。

图2为本发明实施例1中制备样品2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4的sem图,由图可看出,三元催化剂2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4呈镂空片状。

图3为本发明实施例1中制备样品(g-c3n4、7cdin2s4/g-c3n4和2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4)的drs图谱,由图可知,相较于单体g-c3n4而言,二元催化剂7cdin2s4/g-c3n4的可见光区域都有所拓宽。而三元催化剂2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4只是在半导体上掺杂了fe3+,对可见光吸收范围无影响。

图4本发明实施例1中制备样品(g-c3n4、7cdin2s4/g-c3n4和2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4)的hv图谱,相较于单体g-c3n4而言,二元催化剂7cdin2s4/g-c3n4的禁带宽度有所缩小,说明二者之间成功构建了异质结,且这种异质结有助于加快半导体内部电子-空穴对的快速转移。而三元催化剂2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4只是在半导体上掺杂了fe3+,对禁带宽度无影响。

图5本发明实施例1中制备样品(g-c3n4、7cdin2s4/g-c3n4和2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4)的pl图谱,由图可知,g-c3n4、7cdin2s4/g-c3n4和2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4的衍射峰强度依次降低,即光生电子空穴的复合趋势越来越弱。

图6本发明实施例1中不同fe3+掺杂量的fe3+/7cdin2s4/g-c3n4三元光催化剂对20mg/l甲基橙的降解效果图。由图可知:单体g-c3n4、二元催化剂7cdin2s4/g-c3n4、三元催化剂1fe3+/7cdin2s4/g-c3n4、2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4、3fe3+/7cdin2s4/g-c3n4和4fe3+/7cdin2s4/g-c3n4对甲基橙的暗吸附量分别为5.18%、5.63%、25.53%、26.81%、31.26%、37.19%,60min内对甲基橙的降解率分别为34.85%、58.59%、75.68%、85.98%、87.71%和85.64%。

实施例2:

(1)制备fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元复合物:

①通过煅烧法制备单体g-c3n4。将尿素(15g)放入带盖的铝坩埚中,然后在马弗炉中以5℃/min的加热速率升温,直至温度达到550℃,在空气气氛中保持4h。冷却至室温后,得浅黄色粉末,研磨后得g-c3n4产物。②通过水热法制备单体cdin2s4。首先,将硝酸镉、氯化铟和硫脲以1:2:8的摩尔比称取后加入一定量的蒸馏水中,再置于磁力搅拌器上剧烈搅拌60min,之后将所得溶液转移到不锈钢高压釜内,并在140℃下保持12h,冷却至室温后将所得产物用蒸馏水和无水乙醇依次洗涤三次,50℃烘箱内干燥一夜后即可得到纯cdin2s4。③通过湿式浸渍法制备二元催化剂3cdin2s4/g-c3n4。将0.5gg-c3n4倒入80ml醇中,然后超声浴30min,以获得均匀的g-c3n4分散体。得溶液a。将0.015g的cdin2s4,加入溶液a中,继续超声处理30min,cdin2s4与g-c3n4的质量比为3%。得溶液b。将溶液b在通风橱中搅拌18h。在醇挥发后,收集所得产物并在60℃下干燥一整夜。获得二元3cdin2s4/g-c3n4光催化材料。④通过湿式浸渍-煅烧法制备三元催化剂fe3+/3cdin2s4/g-c3n4。首先,将0.019、0.038、0.057、0.076gfe2(so4)3·h2o溶于乙醇溶液,再加入0.5g3cdin2s4/g-c3n4超声分散50min,而后置于通风橱内搅拌12h,于80℃烘箱内干燥12h,收集,研磨后置于氧化铝坩埚中,于电炉内以5℃/min的升温速率加热至400℃,煅烧3h后,即可得到三元催化剂1fe3+/3cdin2s4/g-c3n4、2fe3+/3cdin2s4/g-c3n4、3fe3+/3cdin2s4/g-c3n4和4fe3+/3cdin2s4/g-c3n4。

(2)光催化性能评价:

光催化反应在中教金源光反应箱中进行,以搭载420nm滤光片的300w氙灯模拟可见光光源。首先配制250ml浓度为20mg/l的甲基橙溶液,然后加入0.25gg-c3n4、3cdin2s4/g-c3n4、1fe3+/3cdin2s4/g-c3n4、2fe3+/3cdin2s4/g-c3n4、3fe3+/3cdin2s4/g-c3n4和4fe3+/3cdin2s4/g-c3n4催化剂,避光条件下超声分散15min后磁力搅拌50min达到吸附-解吸平衡。随后打开光源,反应时间为60min,每隔10min取一个样,高速离心三次后取其上清液在最大吸收波长处测定吸光度。根据光照前后的吸光度,得到甲基橙的具体降解情况。

实施例3:

(1)制备fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元复合物:

①通过煅烧法制备单体g-c3n4。将尿素(15g)放入带盖的铝坩埚中,然后在马弗炉中以5℃/min的加热速率升温,直至温度达到550℃,在空气气氛中保持4h。冷却至室温后,得浅黄色粉末,研磨后得g-c3n4产物。②通过水热法制备单体cdin2s4。将cd(no3)2·4h2o、incl3·4h2o和硫脲(h2ncsnh2)按1:2:8比例溶于适量蒸馏水中,于磁力搅拌器上连续搅拌1h后,转移到高压釜的聚四氟乙烯内衬中,密封,置于烘箱中加热至140℃保持12h,冷却至室温后,用蒸馏水和无水乙醇分别洗涤三次,之后用无水乙醇分散后于50℃烘箱中烘干备用。得产物cdin2s4。③通过湿式浸渍法制备二元催化剂12cdin2s4/g-c3n4。将0.5gg-c3n4倒入50ml醇中,然后超声浴30min,以获得均匀的g-c3n4分散体。得溶液a。将一定量的cdin2s4,加入溶液a中,继续超声处理30min,cdin2s4与g-c3n4的质量比为12%。得溶液b。将溶液b在通风橱中搅拌30h。在醇挥发后,收集所得产物并在80℃下干燥一整夜。获得二元12cdin2s4/g-c3n4光催化材料。④通过湿式浸渍-煅烧法制备三元催化剂fe3+/12cdin2s4/g-c3n4。首先,将0.036、0.072、0.108、0.144gfe(no3)3·9h2o溶于乙醇溶液,再加入0.5g12cdin2s4/g-c3n4超声分散90min,而后置于通风橱内搅拌48h,于100℃烘箱内干燥6h,收集,研磨后置于氧化铝坩埚中,于电炉内以5℃/min的升温速率加热至350℃,煅烧4h后,即可得到三元催化剂1fe3+/12cdin2s4/g-c3n4、2fe3+/12cdin2s4/g-c3n4、3fe3+/12cdin2s4/g-c3n4和4fe3+/12cdin2s4/g-c3n4。

(2)光催化性能评价:

光催化反应在中教金源光反应箱中进行,以搭载420nm滤光片的300w氙灯模拟可见光光源。首先配制250ml浓度为20mg/l的甲基橙溶液,然后加入0.25gg-c3n4、12cdin2s4/g-c3n4、1fe3+/12cdin2s4/g-c3n4、2fe3+/12cdin2s4/g-c3n4、3fe3+/12cdin2s4/g-c3n4和4fe3+/12cdin2s4/g-c3n4催化剂,避光条件下超声分散20min后磁力搅拌60min达到吸附-解吸平衡。随后打开光源,反应时间为60min,每隔10min取一个样,高速离心三次后取其上清液在最大吸收波长处测定吸光度。根据光照前后的吸光度,得到甲基橙的具体降解情况。

实施例4:

(1)制备fe3+/cdin2s4/g-c3n4三元复合物:

①通过煅烧法制备单体g-c3n4。将尿素(15g)放入带盖的铝坩埚中,然后在马弗炉中以5℃/min的加热速率升温,直至温度达到550℃,在空气气氛中保持4h。冷却至室温后,得浅黄色粉末,研磨后得g-c3n4产物。②通过水热法制备单体cdin2s4。将cd(no3)2·4h2o、incl3·4h2o和硫脲(h2ncsnh2)按1:2:8比例溶于适量蒸馏水中,于磁力搅拌器上连续搅拌1h后,转移到高压釜的聚四氟乙烯内衬中,密封,置于烘箱中加热至140℃保持12h,冷却至室温后,用蒸馏水和无水乙醇分别洗涤三次,之后用无水乙醇分散后于50℃烘箱中烘干备用。得产物cdin2s4。③通过湿式浸渍法制备二元催化剂7cdin2s4/g-c3n4。将0.5gg-c3n4倒入50ml醇中,然后超声浴40min,以获得均匀的g-c3n4分散体。得溶液a。将0.035g的cdin2s4,加入溶液a中,继续超声处40min,cdin2s4与g-c3n4的质量比为7%。得溶液b。将溶液b在通风橱中搅拌20h。在醇挥发后,收集所得产物并在60℃下干燥一整夜。获得7cdin2s4/g-c3n4材料。④通过湿式浸渍-煅烧法制备三元催化剂fe3+/7cdin2s4/g-c3n4。首先,将0.019、0.038、0.057、0.072gfe(oh)(ch3coo)2溶于50ml乙醇溶液,再加入0.5g7cdin2s4/g-c3n4超声分散30min,而后置于通风橱内搅拌36h,于70℃烘箱内干燥10h,收集,研磨后置于氧化铝坩埚中,于电炉内以5℃/min的升温速率加热至380℃,煅烧2.5h后,即可得到三元催化剂1fe3+/7cdin2s4/g-c3n4、2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4、3fe3+/7cdin2s4/g-c3n4和4fe3+/7cdin2s4/g-c3n4。

(2)光催化性能评价:

光催化反应在中教金源光反应箱中进行,以搭载420nm滤光片的300w氙灯模拟可见光光源。首先配制250ml浓度为20mg/l的甲基橙溶液,加入0.25g2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4三元催化剂,避光条件下超声分散15min后磁力搅拌50min达到吸附-解吸平衡。随后,打开光源,同时加入0、1、2、5、8、10mmh2o2,反应时间为18min,每隔3min取一个样,高速离心三次后取其上清液在最大吸收波长处测定吸光度。根据光照前后的吸光度,得到甲基橙的具体降解情况(如图7所示)。在可见光照射9min后,三元催化剂2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4协同0、1、2、5、8、10mmh2o2对甲基橙的降解率分别为60.47%、83.72%、84.84%、95.70%、97.03%、98.91%。

图7本发明实施例4中不同h2o2用量的2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4-h2o2光芬顿体系对20mg/l甲基橙的降解效果图。由图可知:2fe3+/7cdin2s4/g-c3n4加入0、1、2、5、8、10mmh2o2后对甲基橙的降解率分别为60.47%、83.72%、84.84%、95.70%、97.03%、98.91%。

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