一种SrFe

一种srfe
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/mxene复合催化剂及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及光催化材料技术领域，尤其是涉及一种srfe
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/mxene复合催化剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着能源短缺和环境污染的日益严重，如何解决能源危机问题和水污染问题，实现可持续发展已成为我国关注的焦点。在水污染中，染料废水毒性和可生化性较大，对环境危害大，难以降解，处理难度大；而将光催化剂应用于废水降解，能源消耗低，且催化剂可以重复利用，目前应用非常广泛。
3.半导体光催化剂种类多样，其中锶铁氧体晶体结构是六角晶型，带隙能为1.86 ev，可以吸收波长小于667 nm的太阳光，可利用的太阳光波长范围广，而且是亚铁硬磁性材料，具有稳定性以及抗腐蚀等能力，因此本领域对锶铁氧体的磁性研究和光催化的研究也很多。但是单一的锶铁氧体作为光催化材料还存在光生载流子复合效率高及光催化活性不够高等问题，因此本领域技术人员也对锶铁氧体改性进行大量的研究，以期解决光生载流子复合问题的方法。
4.储金宇等人通过溶胶-凝胶法制备了具有良好磁性能的tio2/srfe
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复合光催化剂，实验证明，经过srfe
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的负载，降解亚甲基蓝的效率达到99.1%，该研究通过锶铁氧体与二氧化钛复合，复合材料的吸收光谱发生“红移”，扩宽了原单相催化剂的光响应区。taiping xie等采用2步焙烧法将biocl与srfe
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硬磁性材料进行复合，制备出了磁性更加优异的biocl/srfe
12o19 磁性催化材料；但这种方法也存在一定的缺陷，如通过焙烧法制备的srfe
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样品粒径大，不稳定，不能保证与biocl的稳定结合，再者，此法制备的复合磁性光催化剂的颗粒比表面积较小，这样会导致在光催化降解过程中，催化剂与有机污染物的接触反应不足。
5.上述改性或复合方法都一定程度的提高了锶铁氧体的催化性能，但是都存在一定的问题，因此寻找新型的改性或复合材料是目前的研究热点。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种srfe
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/mxene催化剂，制备工艺简单，产品催化效率高，方便回收，回收后稳定性高，可以重复利用。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种srfe
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/mxene复合催化剂，由srfe
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和mxene复合而成，所述srfe
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和mxene重量比为5：0.1-0.3。
8.一种srfe
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/mxene复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)称取一定量的srcl2·
6h2o和 fecl3·
6h2o溶解于适量溶剂中，分散1h；(2)将mxene添加在蒸馏水中，分散1h，然后将其添加在步骤(1)的混合液中继续搅拌30min；
(3)将碱液逐滴添加在步骤(2)的混合液中，滴加速度1滴/s，调节溶液ph值为10-12，然后转至水热反应釜中于200℃反应24h，取出冷却至室温后，用蒸馏水反复抽滤洗涤至中性，抽滤后又放于80℃烘箱中干燥12h，研磨得产品。
9.进一步的，所述步骤(1)中的溶剂为水。
10.进一步的，所述步骤(1)中的溶剂为乙二醇、聚乙二醇、水按重量比2：0.5：1.5混合而成。
11.进一步的，所述srcl2·
6h2o、fecl3·
6h2o和mxene重量比为0.2666：1.62：0.01-0.03，所述srcl2·
6h2o与溶剂的质量比为0.2-0.3：5，mxene与蒸馏水用量比为10-30 mg/14-18 ml。
12.进一步的，所述步骤(1)和(2)中的分散方法为超声波分散，功率600-800w。
13.一种srfe
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/mxene复合催化剂在光催化活化pms降解染料废水方面的应用。
14.本发明的有益效果是：1、本发明公开一种srfe
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/mxene复合催化材料，在srfe
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中引入少量的mxene合成一种新型催化剂，经过验证该催化剂催化效率远远优于srfe
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，一方面是mxene的引入，极大的增大了样品的比表面积，使更多的染料吸附在材料表面，使两者充分接触反应，更利于光催化反应的进行，从而提高了催化效率；另一方面是srfe
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本身可利用光范围广，拓宽了催化剂的光响应度，使复合催化剂吸收更多入射光子而产生更多光生电子空穴；其三，srfe
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与mxene异质结构形成的内建电场，提高了载流子的迁移效率；其四，外加磁场可以使被测样品的光电导衰减速率减弱，延长载流子使用寿命，因此具有磁性能的srfe
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与mxene复合时相当于提供了恒定的磁场，增加了光生载流子的有效寿命值，使光生载流子在半导体材料表面移动的时间足够长，这样助于光催化深入进行。
15.2、srfe
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/mxene复合催化剂的制备工艺简单，污染小，容易控制，制备的成品纯度高，磁性强，在外加磁体的作用下样品容易回收利用；另外催化降解效果好，而且性质稳定，能多次回收利用，具有较好的实际规模化应用价值。
16.制备工艺中优化溶剂的组成，采用聚乙二醇、乙二醇和水形成复合溶剂，经验证，制备的产品尺寸更均匀，团聚少，横向尺寸更大，因此能进一步提高本技术的催化性能。
17.3、制备的srfe
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、srfe
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/mxene光催化剂在光照下无催化活性，但在引入pms后降解rhb均有良好的降解效果，说明本技术的光催化剂在可见光协同下活化pms，生成so4·-活性基团，从而能够有效地氧化分解有机污染物，本技术制备的催化剂在25 min对罗丹明b的降解率能达到100%，催化性能优异。
附图说明
18.图1为产品xrd图谱；图2为产品sem图谱；图3为产品eds能谱分析图；图4为产品ir图谱；图5为产品的光催化应用试验对比图；图6为pms、srfe
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/mxene和srfe
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/mxene+pms光催化降解率图；图7为表观磁性能分析图；
图8为产品两次回收降解图。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
20.以下实施例中采用的试剂mxene(ti3c2)购于山东烯研新材料科技。
21.实施例1(1)精确称量0.2666g srcl2·
6h2o和1.62g fecl3·
6h2o共同溶解于5ml溶剂中，其中溶剂为水，超声分散1h，超声功率800w；(2)将10mg的mxene加入18ml蒸馏水中，超声1h，超声功率800w，然后将其添加在步骤(1)的混合液中继续搅拌30 min；(3)称取3.1198g naoh溶于10ml蒸馏水，在磁力搅拌下，将naoh溶液逐滴加入混合液中，滴加速度1滴/s，调节溶液ph值为10-12；将最终混合液转至50ml水热反应釜中于200℃反应24h，取出冷却至室温后，用蒸馏水反复抽滤洗涤至中性，抽滤后又放于80℃烘箱中干燥12h，研磨得srfe
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/mxene。
22.实施例2(1)精确称量0.2666g srcl2·
6h2o和1.62g fecl3·
6h2o共同溶解于5ml溶剂中，溶剂为水，超声分散1h；(2)将20mg的mxene加入16ml蒸馏水中，超声1h后，然后将其添加在步骤(1)的混合液中继续搅拌30min；(3)称取3.1198g naoh溶于10ml蒸馏水，在磁力搅拌下，将naoh溶液逐滴加入混合液中，滴加速度1滴/s，调节溶液ph值为10-12；将最终混合液转至50ml水热反应釜中于200℃反应24h，取出冷却至室温后，用蒸馏水反复抽滤洗涤至中性，抽滤后又放于80℃烘箱中干燥12h，研磨得srfe
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/mxene。。
23.实施例3(1)精确称量0.2666g srcl2·
6h2o和1.62g fecl3·
6h2o共同溶解于5ml溶剂中，溶剂为水，超声分散1h；(2)将30mg的mxene加入14ml蒸馏水中，超声1h后，然后将其添加在步骤(1)的混合液中继续搅拌30min；(3)称取3.1198g naoh溶于10ml蒸馏水，在磁力搅拌下，将naoh溶液逐滴加入混合液中，滴加速度1滴/s，调节溶液ph值为10-12；将最终混合液转至50ml水热反应釜中于200℃反应24h，取出冷却至室温后，用蒸馏水反复抽滤洗涤至中性，抽滤后又放于80℃烘箱中干燥12h，研磨得srfe
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/mxene。。
24.实施例4实施例4与实施例2不同之处在于：所述步骤(1)中的溶剂为乙二醇、聚乙二醇、水按重量比2：0.5：1.5混合而成。
25.对比例1对比例1与实施例2不同之处在于：制备过程中没有添加mxene，制备的产品为srfe
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。
26.产品检测以及应用试验
1、x射线衍射(xrd)表征使用x射线衍射仪(shimadzu xrd-6000，岛津，日本)进行样品的物相分析，测试条件为：cu靶激发kα辐射为射线源，管压为 40kv，电流为30ma，扫描范围为(2θ) 10～80
°
，扫描速度为4
°
/ min。
27.图1为对比例1样品srfe
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和实施例2样品srfe
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/mxene的xrd图谱，可直观的发现两种样品的衍射线尖锐且强，说明两样品的结晶都比较完整，制备的产品纯度很高。
28.对比纯srfe
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的衍射峰，可明显的发现mxene的引入并没有改变srfe
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衍射峰的位置，几乎一一对应，晶面(114)及晶面(107)依旧是最强的两个衍射峰，说明mxene的引入并没有改变srfe
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的晶体结构。
29.2、扫描式电子显微镜(sem)表征测试条件为：激发源为钨丝灯，分辨率为3nm@30kv，8nm@3kv，加速电压为0.02 kv～30 kv。
30.图2(a)是对比例1制备的样品srfe
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样品的sem图，由图可以清晰的看到，所制备的srfe
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样品表面是六角片状结构，符合锶铁氧体是六角晶型的晶体结构。图2(b-d)为实施例2产品的srfe
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/mxene样品的sem图，从该图片可看出，当引入了mxene之后，该样品呈纳米薄片结构，其尺寸较小，厚度极薄，但横向尺寸较大；与单一的srfe
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相比较，srfe
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/mxene复合催化剂具有较大的比表面积，该性能能够增大了样品与染料接触的比表面积，提高了催化剂的降解率。
31.图2(e)为实施例4制备的样品的sem图，与实施例2样品的图谱进行对比，其纳米片尺寸更均匀，团聚更少，说明本技术实施例4中的溶剂能够使产品形貌更加均匀，横向尺寸更大，因此其在光催化方面的效果可能要优于实施例2。
32.3、eds能谱分析图3(a-d)为实施例2制备的样品srfe
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/mxene的能谱分析图，结果显示该样品中fe、o、sr、ti元素均匀分布，说明mxene与srfe
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成功的复合在一起，形成密切的界面接触，能够提高载流子的迁移速率。
33.4、红外光谱(ir)表征图4 为对比例1样品srfe
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、实施例2制备的样品srfe
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/mxene红外光谱图，在srfe
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/mxene红外光谱图谱400~800 cm-1
范围内，出现了三个明显的吸收峰，其吸收频率分别为645 cm-1
、528 cm-1
、450 cm-1
，这三个吸收峰对应的是srfe
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的特征吸收峰；并且从图中可发现，在1300~1600 cm-1
处，srfe
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/mxene比srfe
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明显地多了一个峰。经查证，ti-oh在1377 cm-1
左右会有特征峰，证明了ti键的存在，这表明该复合物中确实存在mxene(ti3c2)与srfe
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，与eds结论一致。
34.红外光谱图中波长为1048 cm-1
、2347 cm-1
、2969 cm-1
处呈现的小峰是由于潮湿空气中羟基(-oh)的伸缩振动和变形振动导致的。
35.5、应用性能测试测试条件：催化剂用量为1.5 g/l，降解100 ml 15 mg/l罗丹明b溶液，pms添加量为1.5 g/l。
36.(1)如图5(a)所示的是罗丹明b在300w氙灯光照下的降解图，图中的吸光度无明显变化，可见在没有催化剂的情况下，罗丹明b是相对稳定的，在60min内不会降解。
37.图5(b-e)分别为srfe
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(b)、srfe
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/mxene(实施例1 (c)，实施例2 (d)，实施例3 (e)在加入pms和光照条件下降解罗丹明b的降解图，在30min时，rhb的降解率分别达到95%、99%、98%，可见随着mxene质量增加，光催化效率逐步升高，当mxene复合质量达到20mg时，光催化降解效率最高为99%，较纯srfe
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降解速率提高了7%，但是随着mxene质量继续增加，光催化活性反而会下降。因此mxene量为20mg时，srfe
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/mxene的催化性能最好。
38.(2)为了确认光照及pms对催化剂的影响，分别对各样品在暗条件和光照条件下进行分析研究。如图6(a-c)为暗反应下pms、srfe
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/mxene(实施例2样品)和srfe
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/mxene(实施例2)+pms的降解图。从图中可看出纯pms在暗反应下无催化效果；srfe
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/mxene在10min虽有降解，可能是由吸附引起的吸收值下降，但10min后没有降解效果；图(c)中srfe
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/mxene在引入pms后有一次明显的降解，原因可能是srfe
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/mxene活化了pms，生成的(硫酸根自由基)so4·-，能有效地氧化分解有机污染物，但之后也无降解效果，推测是pms的活性基团已耗完。
39.图6(d-f)分别为在300w氙灯光照下三者的降解图，由图可知在光照下pms较暗反应下光催化活性提高，原因可能是光的协同作用促进pms二次活化；srfe
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/mxene仍无催化效果，但在srfe
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/mxene引入pms后，较光照下的纯pms降解速率高35%，在30min内已降解完。可见催化剂本身对于催化活性的提升功不可没。由以上结果分析可得：可见光与pms是催化剂发挥作用的重要因素，srfe
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/mxene在可见光协同下活化了pms，生成so4·-活性基团极具氧化性，能够有效地氧化分解有机污染物。
40.(3)表1为不同条件下实施例2和实施例4产品的降解率数据对比。
41.表1 不同条件下催化剂降解率由表1数据可以很直观的看出，pms和srfe
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/mxene在暗反应下对罗丹明b没有明显反而降解效果，光照后pms催化活性增加，srfe
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/mxene在光照下仍然没有催化效果，但是引入pms在光照下其降解率大大提升，在30min内几乎降解完全。
42.另外还增加了实施例4样品的降解试验，可以看出实施例4产品在25min可以将罗丹明b完全降解，说明本技术优化溶剂的组成，能够一定程度的提高产品的均匀性和表面积，从而提高催化效率。
43.6、磁性试验图7(a-b)、(c-d)分别为对比例1样品与实施例4样品的表观磁性能分析，从图中可直观的看到，在磁铁的作用下，即使隔着玻璃瓶，两种样品都能完美的吸附在磁体上。这样的特性有利于在外加磁体的作用下样品的回收利用。
44.7、重复性能试验本实验以实施例2制备的srfe
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/mxene样品进行两次回收实验来研究所制催化剂的稳定性。如图8所示，该复合催化剂在进行二次回收后，降解rhb的效率还能达到96%，说明该催化剂具有良好的稳定性，多次回收使用后依旧具备较高的催化活性，稳定性强。
45.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通
技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。