一种TiO2(B)/MIL-100(Fe)复合材料的制备方法与应用与流程

本发明属于环境材料制备技术领域，具体涉及一种tio2(b)/mil-100(fe)复合材料的制备方法与应用。

背景技术：

半导体光催化技术作为一种高效、环保、简便的技术已经广泛用于环境污染物的处理和能源转换。tio2材料作为研究最多的光催化材料之一，储量丰富、无毒、稳定性好、耐光腐蚀，在光催化去除有机污染物、光解水制氢、太阳能电池等方面都表现出良好的性能。但是普通tio2的禁带宽度为3.0-3.2ev，只能被紫外光区的能量激发，严重限制了其对光能的利用。进一步研制出的黑色tio2纳米材料，具有更为优良的量子效率和光响应范围。但目前其在光催化领域的应用还有待进一步开发。

mil-100(fe)是一种mof材料，mof材料是一种由无机金属中心与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。是一种有机-无机杂化材料，兼有无机材料的刚性和有机材料的柔性特征。拥有比表面积大、晶体结构可裁剪、孔径尺寸可调节等优点，已被应用于气体吸附及分离、催化、荧光、传感器等领域。抗生素作为一种广谱性药物，能够抑制细菌的繁衍，在细菌感染疾病的治疗中发挥重要的作用。目前抗生素的滥用现象严重，过多的抗生素进入水体环境中，加重了水环境的污染的同时为人类健康带来极大的隐患。因此探讨水环境中抗生素的去除具有重要的意义。寻找一种安全有效的催化剂应用于水体中的抗生素残留是科研人员研究的方法，目前还未见有将黑色tio2纳米材料及mil-100(fe)进行复合应用于光催化去除环境中的抗生素残留相关研究与报道。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种tio2(b)/mil-100(fe)复合材料的制备方法与应用。本发明通过氢化还原制备tio2(b)纳米材料，一步溶剂热法成功制备了一种吸附-光催化协同的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料，本发明提供的复合材料应用于处理水体中抗生素的降解，具有良好的吸附性能和催化能力。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种tio2(b)/mil-100(fe)复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）tio2(b)纳米材料的制备：

钛酸四丁酯均匀分散在去离子水中，水热条件下反应，洗涤后得到固体物质，记为a，物质a与硼氢化钠混合研磨后放在管式炉煅烧，产物洗涤至中性，烘干得到tio2(b)粉末；

（2）tio2(b)/mil-100(fe)的制备：

将步骤（1）中制备的tio(b)和1,3,5-苯三甲酸共同加入至n,n-二甲基甲酰胺溶剂中充分混合均匀，加入六水合氯化铁，搅拌至完全溶解，烧釜反应后将产物依次用dmf和乙醇洗涤，烘干后得到tio2(b)/mil-100(fe)复合材料。

步骤（1）中所述水热条件的温度是160~200℃，所述反应的时间为5~8h。

步骤（1）中所述的物质a与硼氢化钠的质量比为1：1~3。

步骤（1）中所述煅烧的温度为200~400℃，所述煅烧的时间为0.5~2h。

步骤（2）中所述的tio2(b)、1,3,5-苯三甲酸和n,n-二甲基甲酰胺的用量比为10~70mg：21g：20-30ml。

步骤（2）中所述六水合氯化铁的加入量与1,3,5-苯三甲酸的摩尔比为0.8~1.2：1。

步骤（2）中所述的烧釜反应的温度为140~160℃，时间为11~13h。

本发明还提供了上述的制备方法制备得到的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料，所述的复合材料具有片状堆积和聚集的三维结构，复合材料中tio2(b)的质量百分比为2.04~9.43%。

本发明还提供了上述制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料在水体中抗生素降解领域中的应用。进一步地，所述的应用为降解废水中的四环素。

本发明的有益效果是：

本发明采用一步溶剂热法制备一体化的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料，在溶剂热合成mil-100(fe)的前驱体中加入tio2(b)纳米材料，mil-100(fe)丰富的基团有效耦合tio2(b)纳米材料，两种材料协同作用有效增强对光能的利用，电子-空穴对的分离促进了更多具有强氧化能力的自由基的产生，结合mof材料自身较大的比表面积和丰富的位点，与半导体材料紧密结合形成异质结，提高电子的分离，增大目标物的接触。从而明显提高对水中抗生素的去除能力，应用于光催化水环境中污染物的去除。本发明进一步发展了tio2(b)材料以及mof基材料在光催化领域的应用，黑化的纳米tio2提升了光能利用，mof作为载体有效解决材料分散性，促进电子-空穴对的分离效率，增强催化活性。本发明所使用的材料具有较高的稳定、且无毒无害，不会造成资源浪费与附加污染的形成，制备过程简便高效，是一种绿色环保的水体抗生素处理材料。

附图说明

图1为tio2(b)、mil-100(fe)和实施例3制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料的xrd曲线图；

图2为tio2(b)、mil-100(fe)和实施例3制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料的tem图；其中，a是tio2(b)材料，b是mil-100(fe)材料，图c是tio2(b)/mil-100(fe)复合材料；

图3为实施例3制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料的xps图；其中，a是xps总谱图，b是fe元素的高分辨xps图谱，c是o元素的高分辨xps图谱，d是c元素的高分辨xps图谱；e是ti元素的高分辨xps图谱；

图4为实施例1~4所得tio2(b)/mil-100(fe)复合材料与tio2(b)、mil-100(fe)的降解效果对比曲线图。

具体实施方式

通过下面的实施例可以对本发明进行进一步的描述，然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本发明对试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性和/或具体的描述。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照厂商所建议的条件实施检测。

下列实施例中所用的试剂均可以通过商业途径购买。其中，钛酸四丁酯、1,3,5-苯三甲酸、六水合氯化铁、dmf均购买于阿拉丁试剂有限公司；四环素、乙醇购于国药化学试剂有限公司。

本发明中所制备的光催化剂的光催化活性评价：在dw-01型光化学反应仪（购自扬州大学城科技有限公司）中进行，可见光灯照射，将100ml四环素模拟废水加入反应器中并测定其初始值，然后加入制得的光催化剂，磁力搅拌并开启曝气装置通入空气保持催化剂处于悬浮或飘浮状态，光照过程中间隔15min取样分析，离心分离后取上层清液用分光光度计测定吸光度，并通过公式：ƞ=[(1-ct/c0)]x100%算出降解率，其中c0为达到吸附平衡时四环素溶液的吸光度，ct为定时取样测定的四环素溶液的吸光度。

实施例1

（1）tio2(b)纳米材料的制备：

取1.0ml钛酸四丁酯均匀分散在20ml去离子水中，180℃水热条件下反应6小时，水和乙醇离心洗涤后得到白色的粉末状固体物质a，将1g物质a与2g硼氢化钠混合研磨后放在管式炉中300℃煅烧1h，产物洗至中性，烘干得到tio2(b)粉末；

（2）tio2(b)/mil-100(fe)的制备：

取10mg步骤（1）中制备的tio(b)，与0.21g1,3,5-苯三甲酸共同加入至20mln,n-二甲基甲酰胺（dmf）溶剂中充分混合均匀，加入0.27g六水合氯化铁，继续搅拌至完全溶解，150℃烧釜反应12h后将产物分别用dmf和乙醇洗涤，烘干后得到tio2(b)/mil-100(fe)复合材料。

将本实施例中制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料放入光化学反应仪中进行光催化降解试验，测得该复合材料对四环素的总去除率达到55%。

实施例2

（1）tio2(b)纳米材料的制备：

取1.0ml钛酸四丁酯均匀分散在30ml去离子水中，200℃水热条件下反应5小时，水和乙醇离心洗涤后得到白色的粉末状固体物质a，将1g物质a与1g硼氢化钠混合研磨后放在管式炉中200℃煅烧2h，产物洗至中性，烘干得到tio2(b)粉末；

（2）tio2(b)/mil-100(fe)的制备：

取30mg步骤（1）制备的tio(b)，与0.21g1,3,5-苯三甲酸加入至20mln,n-二甲基甲酰胺（dmf）溶剂中充分混合均匀，加入0.27g六水合氯化铁，继续搅拌至完全溶解，150℃烧釜反应13h后将产物依次用dmf和乙醇洗涤，烘干后得到tio2(b)/mil-100(fe)复合材料。

将本实施例中制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料放入光化学反应仪中进行光催化降解试验，测得该复合材料对四环素的总去除率达到60%。

实施例3：

取50mg实施例1中制备的tio(b)，与0.21g1,3,5-苯三甲酸加入至20mln,n-二甲基甲酰胺（dmf）溶剂中充分混合均匀，加入0.27g六水合氯化铁，继续搅拌至完全溶解，150℃烧釜反应12h后将产物依次用dmf和乙醇洗涤，烘干后得到tio2(b)/mil-100(fe)复合材料。

将本实施例中制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料放入光化学反应仪中进行光催化降解试验，测得该复合材料对四环素的总去除率达到80%。

取0.21g1,3,5-苯三甲酸加入至20mln,n-二甲基甲酰胺（dmf）溶剂中充分混合均匀，加入0.27g六水合氯化铁，继续搅拌至完全溶解，150℃烧釜反应12h后将产物依次用dmf和乙醇洗涤，烘干后得到对照样品mil-100(fe)材料。

对tio2(b)、mil-100(fe)材料和mil-100(fe)材料的性能进行对比检测。图1为tio2(b)、mil-100(fe)和本实施例制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料的xrd曲线图；由图1可见，tio2(b)的xrd衍射峰和标准卡片的峰十分一致，说明所制备的材料属于tio2(b)，较宽的衍射峰说明合成的tio2(b)的尺寸比较小。所合成的mil-100(fe)的xrd衍射峰与已公开文献报道中的模拟卡片一致，说明mil-100(fe)成功合成。制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料中主要显示的是mil-100(fe)的特征峰，只发现很小的tio2(b)，这是由于tio2(b)材料的尺寸小、含量少。

实施例4

（1）tio2(b)纳米材料的制备：

取1.0ml钛酸四丁酯均匀分散在30ml去离子水中，160℃水热条件下反应8小时，水和乙醇离心洗涤后得到白色的粉末状固体物质a，将1g物质a与3g硼氢化钠混合研磨后放在管式炉中400℃煅烧0.5h，产物洗至中性，烘干得到tio2(b)粉末；

（2）tio2(b)/mil-100(fe)的制备：

取70mg步骤（1）制备的tio(b)，与0.21g1,3,5-苯三甲酸加入至20mln,n-二甲基甲酰胺（dmf）溶剂中充分混合均匀，加入0.27g六水合氯化铁，继续搅拌至完全溶解，150℃烧釜反应12h后将产物依次用dmf和乙醇洗涤，烘干后得到tio2(b)/mil-100(fe)复合材料。

将本实施例中制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料放入光化学反应仪中进行光催化降解试验，测得该复合材料对四环素的总去除率达到70%。

实施例5

取50mg实施例1中制备的tio2(b)，与0.21g1,3,5-苯三甲酸加入至30mln,n-二甲基甲酰胺（dmf）溶剂中充分混合均匀，加入0.216g六水合氯化铁，继续搅拌至完全溶解，140℃烧釜反应13h后将产物依次用dmf和乙醇洗涤，烘干后得到tio2(b)/mil-100(fe)复合材料。

将本实施例中制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料放入光化学反应仪中进行光催化降解试验，测得该复合材料对四环素的总去除率达到77%。

实施例6

取50mg实施例1中制备的tio2(b)，与0.21g1,3,5-苯三甲酸加入至25mln,n-二甲基甲酰胺（dmf）溶剂中充分混合均匀，加入0.324g六水合氯化铁，继续搅拌至完全溶解，160℃烧釜反应11h后将产物依次用dmf和乙醇洗涤，烘干后得到tio2(b)/mil-100(fe)复合材料。

将本实施例中制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料放入光化学反应仪中进行光催化降解试验，测得该复合材料对四环素的总去除率达到79%。

图2为tio2(b)、mil-100(fe)和实施例3制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料的tem图；其中，图a是tio2(b)材料，图b是mil-100(fe)材料，图c是tio2(b)/mil-100(fe)复合材料；由图2可见，tio2(b)的尺寸大约在10nm，mil-100(fe)材料具有很多片堆积和聚集的三维结构；tio2(b)/mil-100(fe)复合材料形貌与tem图与mil-100(fe)很相似，是由于复合的tio2(b)尺寸很小，在tio2(b)/mil-100(fe)复合材料中较难看出明显的tio2(b)形貌特征，tio2(b)有效融合在了mil-100(fe)材料中，tio2(b)的加入没有影响mil-100(fe)的自身形貌尺寸。

图3为实施例3制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料的xps图；其中，a是xps总谱图，b是fe元素的高分辨xps图谱，c是o元素的高分辨xps图谱，d是c元素的高分辨xps图谱；e是ti元素的高分辨xps图谱；由图3可见，xps总谱图中可以看到复合材料中含有fe，o，c和ti四种元素，成功合成tio2(b)/mil-100(fe)复合材料，由图b~e进一步证明fe，o，c和ti各个元素在tio2(b)/mil-100(fe)复合材料中的价态，tio2(b)/mil-100(fe)复合材料成功制备。

图4为实施例1~4所得tio2(b)/mil-100(fe)复合材料与tio2(b)、mil-100(fe)的降解效果对比曲线图。将本发明所制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料分别与tio2(b)和mil-100(fe)进行光催化活性测试后发现。实施例1~4所制备的tio2(b)/mil-100(fe)复合材料均具有一定的吸附能力，且在光照条件下所有tio2(b)/mil-100(fe)复合材料都表现出相比单体提高的四环素去除效果，尤其以实施例3的去除效果最佳，说明tio2(b)的含量对降解效率有着重要的影响。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。