本發(fā)明屬于材料和環(huán)保，特別是涉及一種tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、光催化凈水技術(shù)是一種基于半導(dǎo)體材料特殊價(jià)帶結(jié)構(gòu)特性而興起的新型深度水處理方法。半導(dǎo)體材料具有一定寬度的禁帶，在大于半導(dǎo)體禁帶寬度能量的光子照射下，材料結(jié)構(gòu)中的電子吸收光子，由價(jià)帶跳躍到導(dǎo)帶產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。污水中的有毒金屬離子可以被還原性電子還原，導(dǎo)帶的氧化-還原電位越負(fù)，導(dǎo)帶能量越高，還原能力越強(qiáng)；污水中的有機(jī)物可以被具有氧化性的空穴氧化為水和二氧化碳，價(jià)帶的氧化-還原電位越正，氧化能力越強(qiáng)。

2、tio2因其自身光化學(xué)穩(wěn)定性和耐光腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，成為光催化領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的標(biāo)志性半導(dǎo)體材料。近些年興起的納米材料合成和應(yīng)用技術(shù)，為光催化材料的研究帶來了巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，一維tio2納米結(jié)構(gòu)，集合了納米材料特性及tio2自身特性，實(shí)現(xiàn)了多相催化領(lǐng)域高效光催化目標(biāo)和低成本目的，成為光催化領(lǐng)域最具有表征性和應(yīng)用前景的光催化劑?，F(xiàn)階段國(guó)際國(guó)內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)生活凈水處理中，使用廣泛、應(yīng)用頻次較大的tio2顆粒型光催化劑是p25(degussa)，粉體型tio2可以增大催化劑比表面積，進(jìn)而提高污水凈化效率，但使用半導(dǎo)體顆粒進(jìn)行污水處理時(shí)，由于顆粒細(xì)小，催化劑在水溶液中易流失、難回收、活性成分損失大，無法長(zhǎng)期重復(fù)使用。

3、專利201010548151.2涉及了一種新型有序二級(jí)結(jié)構(gòu)tio2納米棒催化劑，該催化材料屬于透明基底負(fù)載型催化劑，彌補(bǔ)了顆粒型納米tio2材料分散后不易回收的問題，同時(shí)由于其內(nèi)部單晶結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的一維基底二次生長(zhǎng)分級(jí)結(jié)構(gòu)，在保證光生載流子高效有效分離傳輸?shù)幕A(chǔ)上，增加了比表面積，有效提高了光催化降解污水效率。

4、tio2兩種同質(zhì)變體銳鈦礦型和金紅石型禁帶寬度分別為3.2ev和3.0ev，對(duì)應(yīng)吸收光譜帶邊界波長(zhǎng)為387.5nm和413.3nm，只有能量高于邊界波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)光能的紫外光才能激發(fā)tio2產(chǎn)生載流子，進(jìn)而參與到污染物的礦化降解反應(yīng)中。由于tio2類催化劑對(duì)自然界太陽光能的利用率很低，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)全光譜光照盡可能多的有效響應(yīng)，tio2催化劑存在大規(guī)模工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的成本問題和條件障礙。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列及其制備方法與應(yīng)用，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案之一：

3、一種tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列的制備方法，將金紅石型tio2膜與前驅(qū)體i混合，首次水熱生長(zhǎng)反應(yīng)得到tio2一級(jí)納米棒陣列，將所述tio2一級(jí)納米棒陣列與前驅(qū)體ii混合，再次水熱生長(zhǎng)反應(yīng)，干燥退火，得到所述tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列，所述前驅(qū)體i為ticl3的nacl飽和水溶液；所述前驅(qū)體ii為fecl3的nano3飽和水溶液。

4、優(yōu)選的，所述前驅(qū)體i中ticl3的濃度為0.05mol/l，ph為0.25-1.50。

5、更為優(yōu)選的，所述前驅(qū)體i中ticl3的ph為1.30。

6、優(yōu)選的，所述前驅(qū)體ii中fecl3的濃度為0.10-0.20mol/l，ph為1.00-2.10。

7、更為優(yōu)選的，所述前驅(qū)體ii中fecl3的濃度為0.15mol/l，ph為1.4。

8、優(yōu)選的，所述再次水熱生長(zhǎng)反應(yīng)的溫度為130℃，時(shí)間為5h。

9、更為優(yōu)選的，所述退火的溫度為400℃時(shí)間為1h。

10、本發(fā)明通過將不同半導(dǎo)體材料間簡(jiǎn)單復(fù)合，采用不同于催化劑敏化、復(fù)合等方式。本發(fā)明提供的tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列材料的制備工藝具體原理如下：維持原單體各自禁帶寬度基本不變，從光譜響應(yīng)范圍變遷的角度出發(fā)，以基礎(chǔ)半導(dǎo)體單體為一級(jí)結(jié)構(gòu)模板，引入其他半導(dǎo)體材料，進(jìn)行異種單體間的簡(jiǎn)單復(fù)合合成，異質(zhì)材料相互“補(bǔ)空隙生長(zhǎng)”，實(shí)現(xiàn)對(duì)各自光譜響應(yīng)波段光能的有效吸收，拓展簡(jiǎn)單復(fù)合材料(tio2-fe2o3)的整體光譜響應(yīng)范圍，提高催化劑對(duì)自然光全光譜能量的利用率。

11、本發(fā)明提供的制備tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列的方法中，以tio2一級(jí)納米棒陣列作為基礎(chǔ)材料，該材料采用水熱法工藝制備而得，具有微結(jié)構(gòu)取向可控，直徑分布均勻，可由ph調(diào)控具體形貌，整體結(jié)構(gòu)整齊等特征。

12、本發(fā)明提供的技術(shù)方案之二

13、一種通過上述的制備方法制得的tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列。

14、本發(fā)明提供的技術(shù)方案之三

15、一種上述tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列在光催化降解甲基蘭中的應(yīng)用。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

17、本發(fā)明采用具有有序分級(jí)納米棒陣列結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體tio2-fe2o3材料進(jìn)行污水處理時(shí)，由于其屬于固載型催化劑，解決了tio2粉體型催化劑在溶液中易流失、活性成分損失大且難以回收再次利用的問題，實(shí)現(xiàn)了催化劑的可控有效回收，使該材料可以長(zhǎng)期的使用，降低了水處理成本。

18、本發(fā)明在制備新型光催化材料tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列時(shí)，通過對(duì)tio2一級(jí)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的ph調(diào)控和形貌的改進(jìn)以及異形fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)的引入，解決了廢水降解過程中使用普通一級(jí)納米棒陣列結(jié)構(gòu)tio2光催化劑，存在的因其結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)不可調(diào)控而導(dǎo)致的催化劑自身光催化能力不足的問題。

19、本發(fā)明通過對(duì)具有光催化特性的tio2納米棒一級(jí)陣列材料進(jìn)行改進(jìn)，引入了窄禁帶、低能導(dǎo)帶的fe2o3有序陣列結(jié)構(gòu)及tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)的制備工藝，得到了形貌表征良好、光催化活性高的十字花狀二級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列材料，彌補(bǔ)了tio2一級(jí)納米棒陣列在光催化反應(yīng)中寬禁帶、只能吸收高能紫外光的劣勢(shì)，拓展了半導(dǎo)體tio2一級(jí)納米棒陣列的光譜響應(yīng)范圍，提高了自然太陽光可見光區(qū)能量的利用率。

20、本發(fā)明提供的tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列在實(shí)際廢水深度處理領(lǐng)域的應(yīng)用推廣中具有良好的研究潛力和太陽光照條件下的實(shí)際應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列的制備方法，其特征在于，將金紅石型tio2膜與前驅(qū)體i混合，首次水熱生長(zhǎng)反應(yīng)得到tio2一級(jí)納米棒陣列，將所述tio2一級(jí)納米棒陣列與前驅(qū)體ii混合，再次水熱生長(zhǎng)反應(yīng)，干燥退火，得到所述tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列，所述前驅(qū)體i為ticl3的nacl飽和水溶液；所述前驅(qū)體ii為fecl3的nano3飽和水溶液。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述前驅(qū)體i中ticl3的濃度為0.05mol/l，ph為0.25-1.50。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述前驅(qū)體i中ticl3的ph為1.30。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述前驅(qū)體ii中fecl3的濃度為0.10-0.20mol/l，ph為1.00-2.10。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述前驅(qū)體ii中fecl3的濃度為0.15mol/l，ph為1.4。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述再次水熱生長(zhǎng)反應(yīng)的溫度為130℃，時(shí)間為5h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述退火的溫度為400℃，時(shí)間為1h。

8.一種通過權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的制備方法制得的tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列。

9.一種權(quán)利要求8所述的tio2-fe2o3有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列在制備光催化凈水材料中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了TiO<subgt;2</subgt;?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列及其制備方法與應(yīng)用，屬于材料和環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，將金紅石型TiO<subgt;2</subgt;膜與前驅(qū)體I混合，首次水熱生長(zhǎng)反應(yīng)得到TiO<subgt;2</subgt;一級(jí)納米棒陣列，將所述TiO<subgt;2</subgt;一級(jí)納米棒陣列與前驅(qū)體II混合，再次水熱生長(zhǎng)反應(yīng)，干燥退火，得到所述TiO<subgt;2</subgt;?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列，所述前驅(qū)體I為TiCl<subgt;3</subgt;的NaCl飽和水溶液；所述前驅(qū)體II為FeCl<subgt;3</subgt;的NaNO<subgt;3</subgt;飽和水溶液。本發(fā)明提供的TiO<subgt;2</subgt;?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;有序分級(jí)結(jié)構(gòu)納米棒陣列在實(shí)際廢水深度處理領(lǐng)域的應(yīng)用推廣中具有良好的研究潛力和太陽光照條件下的實(shí)際應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：李玉祥,高敏江
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安建筑科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30