一种Fe/N共掺杂‑TNTs‑还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法技术

本发明专利技术提供一种Fe/N共掺杂‑TNTs‑还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法，属于有机污染物光催化降解技术领域。包括：将TiO2纳米管和Fe(NO3)3·9H2O混合，混合物经干燥、N2流下煅烧得到Fe‑TNTs；将GO和尿素以及Fe‑TNTs分别分散在水中，和浓HNO3混合加入反应釜，经加热反应后自然冷却至室温，将产物洗涤，最后在N2流下煅烧得到复合催化剂。本发明专利技术采用Fe和N对TIO2纳米管共惨杂，提高可见光敏化度，使复合催化剂在可见光下实现对有机污染物的光催化降解；采用TIO2纳米管和还原型氧化石墨烯组合，将催化剂的吸收光谱扩展到可见光，提高对有机污染物的光催化降解能力。采用N对氧化石墨烯进行惨杂改变其电子结构，从而改善其自由载流子密度，提高复合催化剂在可见光下的催化能力。

A preparation method of Fe/N doped TNTs graphene composite catalyst

The invention provides a preparation method of Fe/N doped TNTs graphene composite catalyst, which belongs to the technical field of photocatalytic degradation of organic pollutants. Including: TiO2 nanotubes and Fe (NO3) 3 - 9H2O mixed mixture by drying and calcining the N2 flow Fe TNTs; GO and Fe TNTs respectively urea and dispersed in water, and concentrated HNO3 mixture into reactor, through heating reaction after natural cooling to room temperature, the product was washed, and finally get the the composite catalyst calcined under flow in N2. The invention adopts the Fe and N of TIO2 Co doped nanotubes, improve the degree of visible light, the composite catalysts on the photocatalytic degradation of organic pollutants under visible light; the TIO2 nanotubes and reduced graphene oxide composite, the catalyst absorption spectra extended to visible light, improve the photocatalytic degradation of organic pollutants. N was used to modify the electronic structure of graphene oxide to improve its free carrier density and to enhance the catalytic capability of the composite catalyst under visible light.

【技术实现步骤摘要】
一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法
本专利技术属于有机污染物光催化降解
，具体为一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法。
技术介绍
在许多有机废水处理方法中，光催化被认为是利用光能处理有机废水的有前景的途径。近年来，二氧化钛由于其高的化学稳定性，高成本效益，环境友好性和无毒性而受到广泛的关注。作为典型的纳米TiO2的TiO2纳米管显示出由于内部和外部表面积大，有利于光电子传递，因此水处理光催化性能更好。以前的研究表明，可以通过金属和非金属掺杂改善TiO2的可见光敏化然而，光催化过程中的一些问题总是被忽略。例如，所用光催化剂从处理水中的分离过程是显着的，因为环境中的游离光催化剂不仅具有生物毒性，而且可能引起二次污染问题。当光线穿透时，光变弱溶液，导致较低的光催化效率，特别是在一些黑色的有机废水中防止了光的传播。同时，溶液中缺氧会对光催化活性产生负面影响。以前的研究已经开发了许多合成大尺寸复合材料以便于循环使用的方法，光催化剂颗粒被固定在基底上或整合成薄膜，这可以被认为是有效的方法。最近，典型的TiO2膜复合材料已经被许多研究人员研究，因为它们的灵活性和适应性。三维TiO2复合材料的稳定性也受到很大的关注.不幸的是，没有考虑到光在溶液中的传播，氧气总是由附加设备提供。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法，本专利技术复合催化剂制备方法温和、操作简便、收率高、重复性好、产物纯度高，可实现大量生产。本专利技术还提供利用所述制备方法制备的复合催化剂，所述复合催化剂包括Fe和N共惨杂的TiO2纳米管和N惨杂的还原型氧化石墨烯。本专利技术复合催化剂具有很强的可见光催化活性，可应用于有机污染物的催化降解。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：本专利技术的目的之一在于提供一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：1)Fe惨杂TiO2纳米管的制备：将TiO2纳米管和Fe(NO3)3·9H2O溶液混合，混合溶液经干燥、N2流下煅烧得到Fe惨杂TiO2纳米管Fe-TNTs；2)复合催化剂的合成：将氧化石墨烯和尿素分散在去离子水中，并将上述制备的Fe-TNTs分散在去离子水中，将上述两种溶液和浓HNO3混合并加入到反应釜中，经加热反应后自然冷却至室温，最后将反应釜中的产物转移到去离子水中并洗涤得到Fe和N共掺杂-TiO2纳米管-N惨杂还原型氧化石墨烯Fe/N-TNTs-NG；3)复合催化剂粉末的制备：将上述制备的复合催化剂在N2流下煅烧即得到本专利技术Fe/N-TNTs-NG复合催化剂粉末。本专利技术采用水热法制备的Fe/N-TNTs-NG复合催化剂材料中，Fe和N取代部分Ti、O、C原子进入复合材料体系，Fe和N共掺杂-TiO2纳米管TNTs与N惨杂还原型氧化石墨烯之间经由水热反应生成Ti-O-C连接，从而实现催化剂材料的复合。在本专利技术复合催化剂的制备过程中，怎样控制不同反应物之间的配比以及反应条件，使产物复合催化剂的光降解催化活性达到最佳是较为困难的部分，本专利技术技术方案及制备条件是经过大量的实验及测试后，优选出的能有效提高产物复合催化剂光降解催化活性的制备方法以及原料配比和反应条件。本专利技术采用Fe和N对TIO2纳米管进行共惨杂，与普通的TiO2纳米管相比，具有更高的可见光敏化度，提高复合催化剂材料对可见光的吸收能力，使复合催化剂可以直接在可见光下实现对有机污染物的光催化降解，降低催化降解成本；而普通的TiO2纳米管只在紫外光的照射下才能实现对有机污染物的催化降解，使催化降解成本增加。本专利技术采用N对氧化石墨烯进行惨杂可以改变氧化石墨烯的电子结构，从而改善石墨烯的自由载流子密度，提高复合催化剂在可见光下的催化能力及小分子吸附能力。本专利技术采用TIO2纳米管和还原性氧化石墨烯的组合形式，可以将催化剂的吸收光谱从紫外光扩展到可见光，提高复合催化剂对光的吸附能力，从而提高对有机污染物的光催化降解能力。作为本专利技术所述一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法的一个具体实施例，所述TiO2纳米管采用水热法制备，具体制备方法为将TiO2粉末溶解在去离子水中，和NaOH溶液一起加入到反应釜中反应，反应结束后将沉淀物分离并干燥即可。进一步，所述反应釜的反应温度为100～150℃，反应时间为12～36h。在上述TiO2纳米管(TNTs)的制备过程中，TiO2粉末和NaOH溶液的加入量可以根据具体的制备需求按需加入；沉淀物分离干燥等步骤属于本领域的常规技术，技术人员可以采用可以达到本专利技术沉淀物分离干燥目的的方式进行操作，对
人员来说是常规的，在此不做具体限定和说明。作为本专利技术所述一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法的一个具体实施例，所述氧化石墨烯采用Hummers法由石墨烯粉制备：烧杯中加入NaNO3、石墨、浓H2SO4、KMnO4和H2O2强烈搅拌，反应完成后，混合物分离得到氧化石墨烯GO。进一步，所述混合物分离采用在5000～12000r/min转速下离心5～10min。上述氧化石墨烯的制备方法对于本领域技术人员来说是常规的，其制备过程和具体反应条件等都是容易实现的，在此不做具体说明。氧化石墨烯可以采用本专利技术限定的方法进行制备，也可以直接购买或者采用其它方法制备得到，只要是能达到本专利技术目的的氧化石墨烯均可。作为本专利技术所述一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法的一个具体实施例，步骤1)中，所述Fe(NO3)3·9H2O和TiO2纳米管的质量比为0.01～0.04；所述煅烧温度为200～500℃，时间为1～4h。本专利技术将Fe(NO3)3·9H2O和TiO2纳米管的质量比设定为0.01～0.04，在本专利技术设定的配比范围内，Fe元素的惨杂对产物催化剂的催化性能提升最为明显，可以使产物复合催化剂的光降解催化性能达到最佳。随着Fe惨杂量增多，产物催化剂的催化性能提升能力有限，而且还会对催化剂造成负面影响，降低产物催化剂的催化性能，同时增加了催化剂的制备成本。Fe惨杂量过少，则产物催化剂中富含的Fe元素较低，也会对催化剂的催化性能造成不利影响。本专利技术Fe(NO3)3·9H2O和TiO2纳米管的质量比是经过多次试验和测试，综合考虑产物复合催化剂的性能以及成本得出的最优配比。作为本专利技术所述一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法的一个具体实施例，步骤2)中，所述氧化石墨烯和Fe-TNTs的质量比为0.05～0.15；所述尿素和Fe-TNTs的质量比为1～4；所述加热温度为130～180℃，反应时间为12～24h。尿素的加入为复合催化剂的惨杂提供N元素，在本专利技术设定的配比范围内，N元素的惨杂对产物催化剂的催性能提升最为明显，可以使产物复合催化剂的光降解催化性能达到最佳。随着N惨杂量增多，产物催化剂的催化性能提升能力有限，而且还会对催化剂造成负面影响，降低产物催化剂的催化性能，同时增加了催化剂的制备成本。氧化石墨烯的添加量对于复合材料体系的催化性能的提升具有上限，上限位于给定范围之中，过多添加对于催化性能没有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Fe/N共掺杂‑TNTs‑还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)Fe惨杂TiO2纳米管的制备：将TiO2纳米管和Fe(NO 3)3·9H2O溶液混合，混合溶液经干燥、N2流下煅烧得到Fe惨杂TiO2纳米管Fe‑TNTs；2)复合催化剂的合成：将氧化石墨烯和尿素分散在去离子水中，并将上述制备的Fe‑TNTs分散在去离子水中，将上述两种溶液和浓HNO3混合并加入到反应釜中，经加热反应后自然冷却至室温，最后将反应釜中的产物转移到去离子水中并洗涤得到Fe和N共掺杂‑TiO2纳米管‑还原型氧化石墨烯Fe/N‑TNTs‑NG；3)复合催化剂粉末的制备：将上述制备的复合催化剂在N2流下煅烧即得到本专利技术Fe/N‑TNTs‑NG复合催化剂粉末。

【技术特征摘要】
1.一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)Fe惨杂TiO2纳米管的制备：将TiO2纳米管和Fe(NO3)3·9H2O溶液混合，混合溶液经干燥、N2流下煅烧得到Fe惨杂TiO2纳米管Fe-TNTs；2)复合催化剂的合成：将氧化石墨烯和尿素分散在去离子水中，并将上述制备的Fe-TNTs分散在去离子水中，将上述两种溶液和浓HNO3混合并加入到反应釜中，经加热反应后自然冷却至室温，最后将反应釜中的产物转移到去离子水中并洗涤得到Fe和N共掺杂-TiO2纳米管-还原型氧化石墨烯Fe/N-TNTs-NG；3)复合催化剂粉末的制备：将上述制备的复合催化剂在N2流下煅烧即得到本发明Fe/N-TNTs-NG复合催化剂粉末。2.如权利要求1所述一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述TiO2纳米管采用水热法制备，具体制备方法为将TiO2粉末溶解在去离子水中，和NaOH溶液一起加入到反应釜中反应，反应结束后将沉淀物分离并干燥即可。3.如权利要求2所述一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述反应釜的反应温度为100～150℃，反应时间为12～36h。4.如权利要求1所述一种Fe/N共掺杂-TNTs-还原型氧化石墨烯复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯采用Hummers法由石墨烯粉制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚卫棠，
申请(专利权)人：张家港绿潮水环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32