Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料及其制备方法和应用技术

技术编号:19694942 阅读:34 留言:0更新日期:2018-12-08 11:58
本发明专利技术提供了一种Fe‑TiO2纳米管/g‑C3N4复合材料及其制备方法和应用,本发明专利技术用简单的工艺,低成本制备了高光催化活性的Fe‑TiO2纳米管/g‑C3N4复合材料,通过控制反应条件,在较低的水热温度下,一步制备了均匀的Fe‑TiO2纳米管,通过控制TiO2的添加量和水热时间,可得到可控管长、管径的Fe‑TiO2均匀纳米管;而且复合材料的制备避免了高温加热,在较温和条件下进行了Fe‑TiO2纳米管和g‑C3N4间有效的复合,该复合材料可有效降解污水中难降解的有毒污染物,也具有较好的产氢效果,在污水处理和能源领域具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及材料制备的
,尤其涉及一种Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
纳米TiO2作为光催化剂,可光催化降解有机污染物,也可光解水产氢,其在环境净化和能源领域应用广泛。但纳米TiO2粉体存在易团聚、难分离,对可见光的利用率较低等问题。因此,对TiO2进行修饰改性,扩展其有效光响应范围及提高光生电子和空穴的利用效率,提高光催化反应活性,是光催化处理环境污染应用的基础。通过半导体耦合,可以促进光致电子-空穴的分离,减小复合几率,提高光催化材料的量子效率,当耦合半导体的吸收带边处于可见光范围时,能够拓宽TiO2吸收激发光的波长范围,从而得到利用环境光线催化氧化的高效光催化材料。2009年,我国科学家与德国、日本科学家合作发现了不含金属组分的共轭聚合物石墨相氮化碳(g-C3N4)可见光光催化材料,与传统聚合物半导体相比,氮化碳具有优良的耐磨性、化学稳定性和热稳定性,且制备方法简单。将C3N4和TiO2进行杂化耦合,在纳米尺度下进行结构调控和组分优化,发挥各自的性能优势协同增强,为新型光催化材料开辟了一条新途径。但仍存在一些的问题:(1)复合过程相对复杂,成本较高;(2)复合物对可见光的利用率及对污染物的光催化降解还有待进一步提高;(3)采用高温煅烧制备复合光催化剂,组分和结构难以精确控制,各相分布不均匀。因此,寻找一种简单的方法,低成本的方法制备高活性的新型复合材料具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料及其制备方法和应用,旨在解决现有光催化复合材料催化性能有待进一步提高,组分和结构难以精确控制以及复合过程相对复杂,成本高的问题。为解决上述技术问题,本专利技术提供的技术方案是:一种Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料的制备方法,所述复合材料的制备方法包括如下步骤:步骤一、将TiO2纳米粉和NaOH以摩尔比为1:10-50加入到去离子水中,分散均匀,加入可溶性铁盐,所述可溶性铁盐中铁离子的摩尔量为所述TiO2纳米粉摩尔量的0.2-0.8%,搅拌1-2h,转移至高压反应釜中,140-150℃反应24-30h,得Fe-TiO2纳米管;步骤二、将所述Fe-TiO2纳米管加入醇溶剂中,分散均匀,加入g-C3N4粉体,分散均匀,75-85℃蒸干,得Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料。相对于现有技术,本专利技术提供的Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料的制备方法具有如下优点:(1)通过水热法在较低的水热温度下一步合成了Fe-TiO2均匀纳米管,通过控制反应条件,可得到管长、管径可控的均匀的Fe-TiO2纳米管,实现了对复合材料组分和结构的精确控制。(2)制备的Fe-TiO2均匀纳米管中Fe3+取代TiO2中的Ti4+形成稳定的固溶体,由于Fe与Ti半径不同,Fe3+的掺杂使TiO2晶格发生畸变,产生缺陷,抑制了光生电子和空穴的复合;且Fe3+的掺杂增加了反应的活性位点,提高了材料对可将光的吸收,提高了材料的导电性能,加快了光生电子的传播速率,提高了复合材料的光催化效率。(3)Fe-TiO2纳米管结构可以拉长电荷载流子的扩散路径,减少光生电子和空穴的复合;同时,与纳米粉相比,Fe-TiO2纳米管可消除纳米颗粒之间的团聚,纳米管具有内外层管壁,比表面大,表面活性高,光催化降解活性高。(4)将具有较大比表面的Fe-TiO2纳米管与层状g-C3N4在较温和的条件下进行复合,使TiO2纳米管均匀分布在g-C3N4的层间,避免了高温煅烧制备方法中的团聚现象,实现了材料的优势互补,提高了材料的光催化活性,同时,还可通过光生载流子在Fe-TiO2纳米管与层状g-C3N4间迁移实现电子、空穴有效分离,进一步提高光催化效率。(5)本专利技术提供的Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料,比表面积大,光转化率高,应用范围广,不但可应用于难降解的酚类有毒污染物的去除,还能应用于光解水产氢,是一种多功能的光催化复合材料,在污水处理和能源领域具有广阔的应用前景。优选的,所述TiO2纳米粉是由如下方法制得:用3-5mol/L的盐酸溶液将TiCl4稀释至0.4-0.5mol/L,超声分散25-35min,室温陈化12-13h,洗涤,干燥,450-550℃煅烧1-3h,得TiO2纳米粉。通过上述方法制备的TiO2纳米粉为锐钛矿结构,颗粒形貌为球形,颗粒尺寸约为30-35nm。优选的,所述g-C3N4粉体是由尿素在520℃,煅烧3-5h制得,煅烧升温速率为4-6℃/min。通过本方法可制备得到纯相的不规则片层状的g-C3N4粉体。优选的,步骤一中,所述可溶性铁盐为硫酸铁、硝酸铁或氯化铁中的一种或多种。优选的,步骤一中,所述可溶性铁盐中铁离子的摩尔量为所述TiO2纳米粉摩尔量的0.6%。优选的Fe掺杂量可显著提高Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料的光催化降解性能。优选的,控制TiO2纳米粉与NaOH的摩尔比为1:14-20。优选的,步骤一中,反应温度为150℃。控制TiO2纳米粉与NaOH的摩尔比为1:14-20,控制反应温度为150℃,反应时间为24-30h,可得到管长约为150-200nm、管径约为20-30nm的Fe-TiO2均匀纳米管。优选的,步骤二中,所述醇溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇或正丙醇中的一种。优选的,步骤二中,所述Fe-TiO2纳米管和所述g-C3N4粉体的质量比为1:0.3-3。更优选的,步骤二中,所述Fe-TiO2纳米管和所述g-C3N4粉体的质量比为1:2。Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料中,Fe-TiO2纳米管沉积在片状g-C3N4的表面,当TiO2量较少时,g-C3N4表面的二氧化钛较少,随着二氧化钛量的增加,g-C3N4表面上的纳米管逐渐的增加,但当TiO2进一步增加,g-C3N4表面的Fe-TiO2纳米管逐渐团聚,当复合比为1:2,在g-C3N4表面上负载的Fe-TiO2纳米管均匀地分布于片状g-C3N4的表面,且不发生团聚。本专利技术还提供一种Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料,所述材料由上述的制备方法制备。本专利技术还提供了上述Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料在光催化降解难降解酚类有机污染物中的应用。本专利技术还提供了上述Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料在光解水产氢中的应用。附图说明图1为实施例1制备的TiO2纳米粉和Fe-TiO2纳米管的X射线衍射(XRD)图谱:aTiO2纳米粉;bFe-TiO2纳米管;图2为实施例1中制备得到的Fe-TiO2纳米管的扫描电镜(SEM)图;图3为实施例1中制备得到的Fe-TiO2纳米管的高分辨透射电镜(HRTEM)图;图4为实施例1制备的Fe-TiO2纳米管的X射线光电子能谱(XPS)的Fe2p分析图谱;图5为实施例1制备的Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料的扫描电镜(SEM)图;图6为实施例1制备的Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料的X射线衍射(XRD)图谱;图7为实施例1制备的Fe-TiO2纳米管、g-C3N4和Fe-TiO2纳米管/g-C3N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Fe‑TiO2纳米管/g‑C3N4复合材料的制备方法,其特征在于,所述复合材料的制备方法包括如下步骤:步骤一、将TiO2纳米粉和NaOH以摩尔比为1:10‑50加入到去离子水中,分散均匀,加入可溶性铁盐,所述可溶性铁盐中铁离子的摩尔量为所述TiO2纳米粉摩尔量的0.2‑0.8%,搅拌1‑2h,转移至高压反应釜中,140‑150℃反应24‑30h,得Fe‑TiO2纳米管;步骤二、将所述Fe‑TiO2纳米管加入醇溶剂中,分散均匀,加入g‑C3N4粉体,分散均匀,75‑85℃蒸干,得Fe‑TiO2纳米管/g‑C3N4复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料的制备方法,其特征在于,所述复合材料的制备方法包括如下步骤:步骤一、将TiO2纳米粉和NaOH以摩尔比为1:10-50加入到去离子水中,分散均匀,加入可溶性铁盐,所述可溶性铁盐中铁离子的摩尔量为所述TiO2纳米粉摩尔量的0.2-0.8%,搅拌1-2h,转移至高压反应釜中,140-150℃反应24-30h,得Fe-TiO2纳米管;步骤二、将所述Fe-TiO2纳米管加入醇溶剂中,分散均匀,加入g-C3N4粉体,分散均匀,75-85℃蒸干,得Fe-TiO2纳米管/g-C3N4复合材料。2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述TiO2纳米粉是由如下方法制得:用3-5mol/L的盐酸溶液将TiCl4稀释至0.4-0.5mol/L,超声分散25-35min,室温陈化12-13h,洗涤,干燥,450-550℃煅烧1-3h,得TiO2纳米粉。3.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述g-C3N4粉体是由尿素在510-530℃,煅烧3-5h制得,煅烧升温速率为4...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘华亭陈汝芬李法齐
申请(专利权)人:河北师范大学
类型:发明
国别省市:河北,13

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