一种泡沫镍复合材料及其制备方法与在光电催化去除水体污染物中的应用技术

本发明专利技术公开了一种泡沫镍复合材料及其制备方法与在光电催化去除水体污染物中的应用，首先通过多次电沉积法制备泡沫镍负载氧化锌复合材料（NF@ZnO），然后通过水热的方法制备泡沫镍负载氧化锌纳米片和锌铁双金属氢氧化物纳米片的复合材料（NF@ZnO@LDH）。利用该材料进行催化反应时，将其作为三电极体系中的阳极材料，在对其进行光照的同时施加一个较小的正向偏压，将复合材料在光照下激发生成的光生电子迅速转移至对电极，从而促进了光生电子和光生空穴的有效分离，而光生电子强烈的还原能力可将水体中的剧毒六价铬离子（Cr(VI)）还原成低毒的三价铬离子（Cr(III)），同时留在阳极复合催化材料表面的光生空穴可将水中有机污染物小分子氧化降解。

Foam nickel composite material and its preparation method and its application in photoelectrochemical catalytic removal of water pollutants

The invention discloses a foam nickel composite material and its preparation method and its application in the photoelectrocatalytic removal of water pollutants. First, the nickel foam loaded Zinc Oxide composite material (NF@ZnO) is prepared by multiple electrodeposition methods, and then the composite material (NF@ZnO@LDH) of foam nickel loaded with Zinc Oxide nanosheets and zinc iron bimetallic hydroxide nano sheets is prepared by hydrothermal method. When the material is used for catalytic reaction, it is used as an anode material in the three-electrode system. When it is illuminated, a small positive bias is applied to it. The photogenerated electrons generated by the composite material under illumination are rapidly transferred to the opposite electrodes, which promotes the effective separation of photogenerated electrons and photogenerated holes. The strong reduction ability of photogenerated electrons can make the photogenerated electrons in water more effective. Highly toxic hexavalent chromium ions (Cr (VI) are reduced to low toxic trivalent chromium ions (Cr (III). Photogenic holes on the surface of anodic composite catalytic materials can oxidize and degrade small organic pollutants in water.

【技术实现步骤摘要】
一种泡沫镍复合材料及其制备方法与在光电催化去除水体污染物中的应用
本专利技术涉及纳米复合材料及光电催化
，具体涉及一种泡沫镍复合材料及其制备方法与在光电催化去除水体污染物中的应用，尤其涉及一种泡沫镍负载氧化锌和锌铁双金属氢氧化物的复合材料的制备方法及其在光电催化去除水体中污染物中的应用。
技术介绍
光催化技术是通过催化剂利用光子能量，将许多需要在苛刻条件下发生的化学反应转化为在温和的环境下进行反应的先进技术。这一技术的能量来源为清洁且取之不尽的太阳光，具有经济高效、环境友好等优点。目前的研究大多采用半导体粉末悬浮体系，存在易失活、易凝聚的缺点，且反应结束后要经过过滤、离心等方法进行分离，后处理步骤复杂，费用较高，不利于实现工业化和大面积推广。因此，寻求一种结构稳定、活性较高且性能优良的负载型催化剂成为光催化领域的研究热点之一；而鉴于载体材料和催化剂材料优异的导电性，可以把制备的负载型催化剂材料直接作为电极，在进行光催化反应的同时施加一个偏压，以光电协同的催化方式进一步提高材料的光催化效率。针对传统光催化剂，如氧化锌，在应用过程中存在表面吸附率低、禁带宽度大和难以回收等缺点；其次，光催化剂受光照射后产生的光生电子-空穴的复合概率较大，因而光子利用效率较低，光催化活性不高；对于负载型光催化反应体系，由于光的利用效率大大降低，催化活性更不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种泡沫镍负载氧化锌和锌铁双金属氢氧化物的复合材料（NF@ZnO@LDH）及其制备方法，构建可见光响应的光催化复合材料，并利用外加偏压实现光和电的协同催化，将光催化材料受光激发产生的光生电子迅速转移至对电极，从而促进了光生电子和光生空穴的有效分离，通过光和电的协同作用提高光催化氧化还原反应的效率，以实现水体中污染物的净化目的。为了达到上述目的，本专利技术采用如下具体技术方案：一种泡沫镍复合材料（NF@ZnO@LDH）的制备方法，包括以下步骤：（1）通过电沉积法在泡沫镍表面负载氧化锌纳米片得到泡沫镍负载氧化锌复合材料（NF@ZnO）；（2）通过水热法在泡沫镍负载氧化锌复合材料（NF@ZnO）的表面负载锌铁双金属氢氧化物纳米片得到泡沫镍负载氧化锌和锌铁双金属氢氧化物的复合材料（NF@ZnO@LDH），即所述泡沫镍复合材料。一种光电催化去除水体中污染物的方法，包括以下步骤：（1）通过电沉积法在泡沫镍表面负载氧化锌纳米片得到泡沫镍负载氧化锌复合材料（NF@ZnO）；（2）通过水热法在泡沫镍负载氧化锌复合材料（NF@ZnO）的表面负载锌铁双金属氢氧化物纳米片得到泡沫镍复合材料（NF@ZnO@LDH）；（3）将泡沫镍复合材料（NF@ZnO@LDH）置入含有污染物的水体中，光照和/或通电，完成水体中污染物的去除。本专利技术中，电沉积法中，以甲酸锌、六水合硝酸锌、水的混合物为电解质溶液；采用三电极体系；以泡沫镍为工作电极；先进行高电压电沉积再进行低电压电沉积；优选的，电解质溶液中，锌离子的摩尔浓度在0.1~0.3mol/L；三电极体系中，铂丝电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极；电解质溶液的温度为25~95℃；高电压电沉积的电压为-1.3V，时间为10~20s；低电压电沉积的电压为-0.5~-1.0V，时间为100~600s；进一步优选地，低电压电沉积的次数为两次。本专利技术中，电沉积完成后，将得到的产品干燥、煅烧得到泡沫镍负载氧化锌复合材料；优选的，干燥为60℃鼓风干燥1~2h；煅烧为在氩气气氛下于350~500℃的温度下煅烧1~2h，煅烧的升温速度为2~5℃/min。本专利技术中，将泡沫镍负载氧化锌复合材料（NF@ZnO）加入锌铁双金属氢氧化物的前驱体溶液与水的混合物中，然后于120~180℃下恒温水热反应20~30h，得到泡沫镍复合材料（NF@ZnO@LDH）。本专利技术中，将尿素加入水、六水合硝酸锌和九水合硝酸铁混合物中，然后于90~110℃下反应20~30h，即得到锌铁双金属氢氧化物的前驱体溶液；优选的，水、六水合硝酸锌和九水合硝酸铁混合物中，Zn2+与Fe3+的摩尔比为2:1，Fe3+的摩尔浓度为0.1mol/L；尿素的用量为Zn2+与Fe3+摩尔数总和的4倍；锌铁双金属氢氧化物的前驱体溶液与水的混合物中，Zn2+与Fe3+摩尔数总浓度为0.0085mol/L~0.0171mol/L。本专利技术还公开了根据上述制备方法制备的泡沫镍复合材料；以及该泡沫镍复合材料在光电催化去除水体中污染物中的应用。本专利技术公开的泡沫镍复合材料的制备方法可以表示如下：（1）泡沫镍负载氧化锌复合材料（NF@ZnO）的制备：本专利技术采用多次电沉积法合成上述泡沫镍负载氧化锌复合材料（NF@ZnO）。首先将摩尔比为1:1的甲酸锌和六水合硝酸锌溶于水中，使锌离子的摩尔浓度控制在0.1~0.3mol/L之间；以此混合溶液为电解质溶液，采用三电极体系（预先裁剪成1cm×2.5cm大小、表面经稀盐酸超声洗涤过的泡沫镍作为工作电极，铂丝电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极），在电化学工作站CHI660E中进行电沉积。电沉积时电解质溶液的温度为25~95℃可选，温度不同，所制备得到的氧化锌纳米片的光电流测试结果也有差别。电沉积过程先后在两个不同的工作电压下进行：首先设置一个较高的工作电压（-1.3V）进行第一次电沉积，持续时间为10~20s；然后调整工作电压至-0.5~-1.0V进行第二次电沉积，持续时间为100~600s，在该电压下重复两次电沉积，以得到连续、致密的氧化锌纳米片。将样品从工作电极上取出，在60℃鼓风干燥箱中干燥1~2h，后置于管式炉中，在氩气气氛下于350~500℃（升温速度为2~5℃/min）的温度下，煅烧1~2h，即得到泡沫镍负载氧化锌复合材料（NF@ZnO）。（2）泡沫镍负载氧化锌和锌铁双金属氢氧化物的复合材料（NF@ZnO@LDH）的制备：本专利技术采用水热的方法合成上述泡沫镍负载氧化锌和锌铁双金属氢氧化物的复合材料（NF@ZnO@LDH）。首先，在单口圆底烧瓶中依次加入去离子水、六水合硝酸锌和九水合硝酸铁（二价金属离子Zn2+与三价金属离子Fe3+的摩尔比为2:1，Fe3+在去离子水中的摩尔浓度为0.1mol/L），搅拌均匀后加入尿素（尿素的投料摩尔数为二价与三价金属离子摩尔数总和的4倍），搅拌均匀后于90~110℃下回流20~30h，即得到锌铁双金属氢氧化物的前驱体溶液。接着，将上述（1）中制备得到的泡沫镍负载氧化锌复合材料（NF@ZnO）放入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，加入制备好的锌铁双金属氢氧化物前驱体溶液和相应质量的超纯水（所加超纯水的体积为前驱体溶液的15~34倍，并且不超过反应釜内衬总容量的70%）。将反应釜置于预先设定好温度的烘箱内，在120~180℃下恒温水热反应20~30h。反应结束后，停止加热，待反应釜自然冷却至室温后对产物进行离心分离并用去离子水洗涤3~5次，得到泡沫镍负载氧化锌和锌铁双金属氢氧化物的复合材料（NF@ZnO@LDH），置于60℃鼓风烘箱中干燥20~30h。本专利技术的锌铁双金属氢氧化物的结构来源于八面体共边的水镁石结构，通过将水镁石层板上部分的二价金属离子取代为三价的金属离子，使其层板带有正电性，层板富余的电荷由层间的阴离子来平衡。二价本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种泡沫镍复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）通过电沉积法在泡沫镍表面负载氧化锌纳米片得到泡沫镍负载氧化锌复合材料；（2）通过水热法在泡沫镍负载氧化锌复合材料的表面负载锌铁双金属氢氧化物纳米片得到泡沫镍负载氧化锌和锌铁双金属氢氧化物的复合材料，即所述泡沫镍复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种泡沫镍复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）通过电沉积法在泡沫镍表面负载氧化锌纳米片得到泡沫镍负载氧化锌复合材料；（2）通过水热法在泡沫镍负载氧化锌复合材料的表面负载锌铁双金属氢氧化物纳米片得到泡沫镍负载氧化锌和锌铁双金属氢氧化物的复合材料，即所述泡沫镍复合材料。2.一种光电催化去除水体中污染物的方法，包括以下步骤：（1）通过电沉积法在泡沫镍表面负载氧化锌纳米片得到泡沫镍负载氧化锌复合材料；（2）通过水热法在泡沫镍负载氧化锌复合材料的表面负载锌铁双金属氢氧化物纳米片得到泡沫镍复合材料；（3）将泡沫镍复合材料置入含有污染物的水体中，光照和/或通电，完成水体中污染物的去除。3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，电沉积法中，以甲酸锌、六水合硝酸锌、水的混合物为电解质溶液；采用三电极体系；以泡沫镍为工作电极；先进行高电压电沉积再进行低电压电沉积。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，电解质溶液中，锌离子的摩尔浓度在0.1~0.3mol/L；三电极体系中，铂丝电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极；电解质溶液的温度为25~95℃；高电压电沉积的电压为-1.3V，时间为10~20s；低电压电沉积的电压为-0.5~-1.0V，时间为100~6...

【专利技术属性】
技术研发人员：路建美，李娜君，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32