專利名稱：多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光催化材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光催化劑技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體 光催化材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著染料合成、印染等工業(yè)廢水的不斷排放和各種染料的不斷使用，進(jìn)入環(huán)境的 染料數(shù)量和種類不斷增加，染料造成的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。據(jù)報(bào)道，全世界每年以廢物形式 排入環(huán)境的染料約6萬(wàn)噸，特別是含有機(jī)染料污水，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)及其邊界環(huán)境產(chǎn)生了 巨大的沖擊，其毒害事件日益發(fā)生。有機(jī)染料是一大類化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難以降解的化學(xué)品，一般的物理、化學(xué)方法，常 常達(dá)不到對(duì)含染料廢水進(jìn)行有效去除的目的。至今所報(bào)道的較為有效的處理方法有輻射 法、吸附一萃取法、磁分離法、混凝沉降法、高溫深度氧化法、化學(xué)氧化法和光催化氧化法 等。其中，半導(dǎo)體多相光催化是近30年發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域，其作用原理是指在有光 參與的條件下，通過催化劑與其表面吸附物之間發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)和氧化、還原過程，把水中 的有機(jī)污染物降解為無(wú)毒無(wú)味的C02、H2O及一些簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，從而達(dá)到去除有機(jī)污染物 的目的。由于氧化物半導(dǎo)體材料作為光催化氧化劑能有效地破壞許多結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的生物難降 解的有機(jī)污染物，與傳統(tǒng)的水處理技術(shù)中的以污染物的分離、濃縮以及相轉(zhuǎn)移為主的物理 方法相比，具有明顯的節(jié)能高教、降解污染物徹底等優(yōu)點(diǎn)。近年來，針對(duì)氧化物半導(dǎo)體材料作為光催化劑的研究十分活躍，在實(shí)際應(yīng)用中也 發(fā)現(xiàn)大多數(shù)催化劑材料的光能利用范圍較窄，需要對(duì)其進(jìn)行有選擇性的表面處理如摻雜改 性或進(jìn)行有機(jī)、無(wú)機(jī)復(fù)合以增強(qiáng)其活性，這增大了催化劑制備工藝的難度和復(fù)雜性。研究表 明多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)能夠增大催化劑的比表面積，有利于其吸附污染物，并可以提高其對(duì)有機(jī) 污染物的降解率，能夠有效改善金屬氧化物半導(dǎo)體材料的光催化性質(zhì)。另外，氧化物半導(dǎo)體 材料中，F(xiàn)e2O3的能帶間隙(2. 2eV)較窄，光響應(yīng)波長(zhǎng)(最大激發(fā)波長(zhǎng)在560nm)較之一般半 導(dǎo)體光催化劑材料在UV區(qū)的吸收波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因而!^e2O3對(duì)太陽(yáng)能的利用率將更高，在太陽(yáng)光 下將更有效地發(fā)揮其催化性質(zhì)。因此，研制一種具有多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)的納米狗203光催化劑材 料，可以高效、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)地處理污水中的有機(jī)物，將會(huì)有很大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光催化材料 的制備方法，該方法工藝簡(jiǎn)單靈活，成本低廉，能通過對(duì)氧化鐵的晶粒尺寸、多孔分級(jí)結(jié)構(gòu) 進(jìn)行有效控制而獲得具有優(yōu)良性能的光催化劑材料，制備的這種具有多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)的光催 化劑材料能在太陽(yáng)光下催化分解有機(jī)污染物。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明通過將油菜花粉浸漬于硝酸鐵的前驅(qū) 液中，經(jīng)氧化灼燒處理得到氧化鐵材料。所述的油菜花粉經(jīng)無(wú)水酒精中反復(fù)漂洗干凈并晾干。
所述的前驅(qū)液是指濃度為0. 1 0. 5mol/L的！^ (NO3) 3或狗(NO3) 3與CTAB (十六
烷基三甲基溴化銨)的乙二醇溶液。所述的浸漬是指將油菜花粉置于硝酸鐵的前驅(qū)液中浸漬4 14小時(shí)后過濾分離 出花粉。所述的氧化灼燒處理是指將浸漬處理并干燥后的油菜花粉置于氧化爐中以1 5°C /分鐘的升溫速度升溫至500 800°C并保溫1 3小時(shí)進(jìn)行灼燒處理，然后停止供熱， 待爐腔自然冷至室溫后取出灼燒產(chǎn)物為黑色粉末，即得到具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的氧化鐵光催 化材料。本發(fā)明利用花粉表面含有的很多活性官能團(tuán)對(duì)金屬離子的強(qiáng)吸附性，因而有利于 實(shí)現(xiàn)鐵鹽溶液的浸漬處理；另外花粉主要由有機(jī)生物成分組成，容易通過氧化灼燒進(jìn)行去 除，從而可以最終得到保留了生物多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)的金屬氧化物材料。這里制備的氧化鐵為 多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)的空心微球，尺寸在IOnm左右，且空心球殼由雙層平行管束圍繞而成，極大 地增加了其作為光催化材料的比表面積和表面活性，有利于其對(duì)有機(jī)物的吸附和進(jìn)行催化 降解作用。本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，主要原料取材方便，成本低，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，所合 成的多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鐵空心微球能有效吸附并在可見光下快速地催化降解有機(jī)物污染 物，是一種性能優(yōu)良的光催化材料。本發(fā)明得到多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)的氧化鐵半導(dǎo)體材料的光催化性能主要評(píng)價(jià)指標(biāo)如 下(1)光照時(shí)間0 120min ；(2)工作條件氙燈光源；(3)工作溫度室溫(25 °C )；(4)有機(jī)物降解率以50ml濃度為0. lmg/ml的水楊酸溶液為例。


圖1經(jīng)無(wú)水乙醇清洗處理后的油菜花粉粒的掃描電鏡照片圖。圖2多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鐵的掃描電鏡照片圖；圖中(a)為多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鐵低倍掃描電鏡照片圖(b)多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鐵 的高倍掃描電鏡照片圖。圖3多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鐵對(duì)水楊酸溶液在太陽(yáng)光照下的降解率。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。實(shí)施例1選取具有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的天然花粉，在乙醇溶液中進(jìn)行超聲處理，待溶液顏色變 為黃色后進(jìn)行抽濾，并在抽濾過程中用無(wú)水乙醇清洗，收集黃色粉末狀固體，在室溫下鼓 風(fēng)干燥。配置0. lmol/L的Fe(NO3)3乙二醇溶液600ml，室溫?cái)嚢?.5小時(shí)后加入0. 5gCTAB(十六烷基三甲基溴化銨)表面活性劑，繼續(xù)攪拌0. 5小時(shí)，得到穩(wěn)定溶液。將上面已 處理好的花粉9. 5g在浸漬液中室溫浸漬14小時(shí)，在浸漬過程中超聲分散，之后抽濾并用乙 醇溶液清洗，得到固體產(chǎn)物在40°C鼓風(fēng)干燥。烘干處理后的花粉放入爐膛，以5°C每分鐘的 升溫速度加熱至100°C，保溫5分鐘，繼續(xù)以2°C每分鐘的升溫速率加熱至250°C，保溫2小 時(shí)，再以1°C每分鐘的速率加熱至500°C，保溫2小時(shí)停止供熱，待爐溫自然降至室溫后取 出，即得到一種具有花粉多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)的氧化鐵材料用做光催化劑。光催化性質(zhì)測(cè)試如下稱取以上制備的氧化鐵20mg加入到50ml濃度為0. lmg/ml 的水楊酸溶液中，避光攪拌30min后在氙燈下每隔20min取樣5ml測(cè)量吸光度，通過計(jì)算得 出室溫太陽(yáng)光照下2小時(shí)對(duì)水楊酸的降解率為27. 08%。如圖1所示經(jīng)無(wú)水乙醇清洗處理后的油菜花粉粒的掃描電鏡照片圖。如圖2所示多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鐵不同倍數(shù)下掃描電鏡照片圖。如圖3所示500°C煅燒得到多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鐵對(duì)水楊酸溶液在太陽(yáng)光照下的 降解率。實(shí)施例2選取具有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的天然花粉，在乙醇溶液中進(jìn)行超聲處理，待溶液顏色變 為黃色后進(jìn)行抽濾，并在抽濾過程中用無(wú)水乙醇清晰，收集黃色粉末狀固體，在室溫下鼓 風(fēng)干燥。配置0. lmol/L的Fe(NO3)3的乙二醇溶液600ml，室溫?cái)嚢?. 5小時(shí)后加入0. 5g CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)表面活性劑，繼續(xù)攪拌0.5小時(shí)，得到穩(wěn)定溶液。將上面已 處理好的花粉9. 5g在浸漬液中室溫浸漬14小時(shí)，在浸漬過程中超聲分散，之后抽濾并用乙 醇溶液清洗，得到固體產(chǎn)物在40°C鼓風(fēng)干燥。烘干處理后的花粉放入爐膛，以5°C每分鐘的 升溫速度加熱至100°C，保溫5分鐘，以2°C每分鐘的升溫速率加熱至250°C，保溫2小時(shí)，再 以1°C每分鐘的速率加熱至600°C，保溫2小時(shí)停止供熱，待爐溫自然降至室溫后取出，即得 到一種具有花粉多孔結(jié)構(gòu)特征的氧化鐵用做光催化材料。實(shí)施例3選取具有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的天然花粉，在乙醇溶液中進(jìn)行超聲處理，待溶液顏色變 為黃色后進(jìn)行抽濾，并在抽濾過程中用無(wú)水乙醇清晰，收集黃色粉末狀固體，在室溫下鼓 風(fēng)干燥。配置0. lmol/L的Fe(NO3)3的乙二醇溶液600ml，室溫?cái)嚢?. 5小時(shí)后加入0. 5g CTAB (十六烷基三甲基溴化銨)表面活性劑，繼續(xù)攪拌半小時(shí)，得到穩(wěn)定溶液。將上面已處 理好的花粉9. 5g在浸漬液中室溫浸漬14小時(shí)，在浸漬過程中超聲分散，之后抽濾并用乙醇 溶液清洗，得到固體產(chǎn)物在40°C鼓風(fēng)干燥。烘干處理后的花粉放入爐膛，以5°C每分鐘的升 溫速度加熱至100°C，保溫5分鐘，以2°C每分鐘的升溫速率加熱至250°C，保溫2小時(shí)，再以 1°C每分鐘的速率加熱至700°C，保溫2小時(shí)停止供熱，待爐溫自然降至室溫后取出，即得到 一種具有花粉多孔結(jié)構(gòu)特征的氧化鐵用做光催化材料。
權(quán)利要求
1.一種多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光催化材料的制備方法，其特征在于，通過將油菜花粉浸 漬于硝酸鐵的前驅(qū)液中，經(jīng)氧化灼燒處理得到氧化鐵材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光催化材料的制備方法，其特征是，所 述的浸漬是指將油菜花粉置于硝酸鐵的前驅(qū)液中浸漬4 14小時(shí)后過濾分離出花粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光催化材料的制備方法，其特征是，所 述的氧化灼燒處理是指將浸漬處理并干燥后的油菜花粉置于氧化爐中以1 5°C /分鐘 的升溫速度升溫至500 800°C并保溫1 3小時(shí)進(jìn)行灼燒處理，然后停止供熱，待爐腔自 然冷至室溫后取出灼燒產(chǎn)物為黑色粉末，即得到具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的氧化鐵光催化材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光催化材料的制備方法，其特征是， 所述的前驅(qū)液是指濃度為0. 1 0. 5mol/L的狗(NO3) 3或狗(NO3) 3與CTAB的乙二醇溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光催化材料的制備方法，其特 征是，所述的油菜花粉經(jīng)無(wú)水酒精中反復(fù)漂洗干凈并晾干。
6.一種多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光催化材料，其特征在于，根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述方 法制備得到。
全文摘要
一種光催化劑技術(shù)領(lǐng)域的多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光催化材料的制備方法，通過將油菜花粉浸漬于硝酸鐵的前驅(qū)液中，經(jīng)氧化灼燒處理得到氧化鐵材料。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單靈活，成本低廉，能通過對(duì)氧化鐵的晶粒尺寸、多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制而獲得具有優(yōu)良性能的光催化劑材料，制備的這種具有多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)的光催化劑材料能在太陽(yáng)光下催化分解有機(jī)污染物。
文檔編號(hào)A62D3/10GK102091620SQ20111000976
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者張荻, 朱亞琪, 蘇慧蘭, 陳建軍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)