一种磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于光催化材料领域，具体涉及一种磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料及其制备方法，所述光催化材料由直径为600‑800nm的圆盘状Fe3O4、尺寸为150‑250nm的不规则片状Fe3O4以及修饰所述圆盘状Fe3O4、不规则片状Fe3O4的长度为200‑1000nm的棒状ZnO组装而成。本发明专利技术的有益效果是按照本发明专利技术方法制备的磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料，是由棒状纳米ZnO修饰圆盘状或不规则片状Fe3O4组装而成，其开阔的表面结构和多的孔隙，有利于有机污染物的扩散和光反应中羟基自由基的运输，进而提高其光生量子效率和光催化效率。

A magnetic Fe3O4/ZnO nanocomposite photocatalyst and its preparation method

The invention belongs to the field of photocatalytic materials, in particular relates to a magnetic Fe3O4/ZnO nano composite photocatalyst and preparation method thereof, wherein the photocatalytic material with diameter of 600 irregular 800nm disc Fe3O4, size 150 250nm sheet Fe3O4 and modified the disk like Fe3O4, irregular length of Fe3O4 200 1000nm ZnO rod assembly. The beneficial effect of the invention is in accordance with the magnetic Fe3O4/ZnO nano composite photocatalyst prepared by the method of the invention is composed of rod like nano ZnO modified disc shape or irregular flake Fe3O4 assembled, the surface structure and open pores, is conducive to the diffusion of hydroxyl radical and light reaction of organic pollutants in the transportation. In order to enhance the light quantum efficiency and light catalytic efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料及其制备方法
本专利技术属于光催化材料领域，具体涉及一种磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，纳米半导体材料因其独特的物理化学性质、经济节能且无二次污染，成为本世纪极具应用前景且能解决环境和全球能源供给问题的研究热点，在光催化降解有机有机废水、太阳能电池及气体传感器等领域具有广泛的应用前景。纳米氧化锌作为一种重要的n型半导体材料，由于其高激子束缚能、高光敏性、价格低廉、性能稳定且无毒等特点，被视为TiO2在光催化领域某些方面理想的替代材料。然而，目前所获得的ZnO纳米粉体直接用于有毒有害废水的光催化降解反应时，大多是直接分散在悬浮体系中，存在着易凝聚和难回收等缺点，容易造成资源浪费和新的更难于处理的二次污染。研究表明，将半导体纳米颗粒制备成负载型光催化剂，可以极大提高其分离和回收率。纳米Fe3O4作为一种廉价的铁氧材料，不仅具有大的比表面积和多的表面活性中心，而且由于优异的磁性质使得Fe3O4负载的光催化半导体材料(如ZnO)，很容易在外磁场的作用下实现催化剂的分离，为解决光催化剂难回收问题提供了一种重要的研究思路。例如：CN103194222A公布的Fe3O4/ZnO复合纳米颗粒是采用ZnAc2和LiOH作为前驱体直接在Fe3O4纳米微球表面进行包裹生长ZnO外壳获得的核壳结构微球。CN105214090A利用二甘醇、二乙醇胺与Fe2+和Fe3+进行络合后与碱溶液发生共沉淀反应获得Fe3O4纳米球，然后通过将Fe3O4纳米球与二甘醇、二乙醇胺的Zn2+络合溶液混合液继续与碱溶液发生共沉淀制备Fe3O4/ZnO核壳纳米球。目前，虽然已经有相关报道来制备Fe3O4/ZnO复合光催化材料，但是往往形貌单一，光催化活性不高，或者实验步骤繁琐，条件苛刻，使其实际的生产和应用受到很大限制。因此，如何采用简单有效的制备方法获得新貌新颖、易于回收且光催化性能优异的磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料是仍需解决的关键课题。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料，具有优异的光催化性能，同时制备方法简单有效。本专利技术提供了如下的技术方案：一种磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料，所述光催化材料由直径为600-800nm的圆盘状Fe3O4、尺寸为150-250nm的不规则片状Fe3O4以及修饰所述圆盘状Fe3O4、不规则片状Fe3O4的长度为200-1000nm的棒状ZnO组装而成。优选的，所述纳米复合光催化材料中Fe3O4与ZnO的摩尔比为1:3。本专利技术还提供了一种磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料的制备方法，包括如下步骤：S1、采用水热法制备圆盘状Fe3O4和片状Fe3O4微粒：S11、将Fe(NO3)3·9H2O溶于乙二醇中，在磁力搅拌的条件下将氢氧化钠加入到上述乙二醇溶液中，得到先驱溶液，常温下继续搅拌10-20min，接着将先驱溶液倒入聚四氟乙烯反应釜中，在180-200℃下反应12h，将产物自然冷却到室温，倒入烧杯中利用磁铁使沉淀物快速沉降，取出沉淀物并使用无水乙醇和去离子水依次清洗2-3次，在50-60℃真空下干燥15-20h，得到黑色产物Fe3O4；S2、采用低温液相法在圆盘状Fe3O4和片状Fe3O4微粒表面生长棒状的ZnO：S21、将S1中得到的黑色产物Fe3O4在磁力搅拌的条件下均匀分散到去离子水中，接着依次加入氯化锌和氢氧化钠，常温下继续搅拌5-10min，在密闭条件下80-100℃反应12h，待反应装置冷却到室温，利用磁铁将沉淀物快速沉降分离并使用无水乙醇和去离子水依次清洗2-3次，在60-80℃真空下干燥15-20h，即获得磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料。优选的，步骤S11中，Fe(NO3)3·9H2O与氢氧化钠的摩尔比为1:5，Fe(NO3)3·9H2O的物质的量与乙二醇的体积比为1.0mmol:(9mL-10mL)。优选的，步骤S21中，氯化锌与氢氧化钠的摩尔比为1:5，氯化锌的物质的量与去离子水的体积比为1.0mmol:(15mL-20mL)，Fe3O4与氯化锌的摩尔比为1:(1-3)。优选的，步骤S11中，所述反应釜为聚四氟乙烯反应釜。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术方法采用水热法和低温液相法相结合的方法合成磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料，不仅制备路线简单，而且不涉及昂贵设备和表面活性剂，成本低廉，产物纯度较高，产量较高，适合批量生产。2、本专利技术方法制备的磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料，是由棒状纳米ZnO修饰圆盘状或不规则片状Fe3O4组装而成，圆盘状或不规则片状Fe3O4具有开阔的表面结构和分级多孔的新颖结构，有利于有机污染物的扩散和光反应中羟基自由基的运输，进而提高其光生量子效率和光催化效率。3、本专利技术方法制备的磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料，保持了Fe3O4的超顺磁特性，可以利用其稳定的磁性实现复合催化剂在磁场作用下的快速沉降回收，可多次重复使用，降低使用成本，延长使用寿命。4、采用本专利技术方法制备的磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料，在亚甲基蓝的有机染料废水处理中具有良好的光催化降解效果，显示了潜在的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的(a)Fe3O4和(b)Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料的XRD图谱；图2为本专利技术制备的光催化材料的SEM图片：(a)Fe3O4，(b-d)分别为实施例1、实施例2和实施例3制备的Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料；图3为本专利技术实施例1制备的(a)Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料和(b)Fe3O4的热重曲线；图4为本专利技术实施例1制备的(a)Fe3O4和(b)Fe3O4/ZnO的室温磁滞回线谱图；图5为本专利技术实施例1制备的(a)Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料和(b)单一相ZnO的磁性分离测试图；图6为本专利技术实施例1-3所制备的三种不同摩尔比的Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料作为光催化剂在紫外光下降解亚甲基蓝溶液的降解率曲线图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做具体说明。实施例1S1、采用水热法制备圆盘状Fe3O4和片状Fe3O4微粒：S11、称取4mmol的Fe(NO3)3·9H2O溶于40mL乙二醇中，在磁力搅拌的条件下将20mmol氢氧化钠加入上述乙二醇中，得到先驱溶液，常温下继续搅拌20min，接着将先驱溶液倒入60mL聚四氟乙烯反应釜中，在200℃下反应12h，将产物自然冷却到室温，倒入烧杯中利用磁铁使沉淀物快速沉降，取出沉淀物并使用无水乙醇和去离子水依次清洗3次，在60℃真空下干燥20h，得到黑色产物Fe3O4；S2、采用低温液相法在圆盘状Fe3O4和片状Fe3O4微粒表面生长棒状的ZnO：S21、称取2mmolFe3O4产物在磁力搅拌的条件下均匀分散到40mL去离子水中，接着依次加入2mmol氯化锌和10mmol氢氧化钠，常温下继续搅拌5min，在密闭条件下80℃反应12h，待反应装置冷却到室温，利用磁铁将沉淀物快速沉降分离并使用无水乙醇和去离子水依次清洗3次，在60℃真空下干燥20h，即获得Fe3O4与ZnO本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料，其特征在于，所述光催化材料由直径为600‑800nm的圆盘状Fe3O4、尺寸为150‑250nm的不规则片状Fe3O4以及修饰所述圆盘状Fe3O4、不规则片状Fe3O4的长度为200‑1000nm的棒状ZnO组装而成。

【技术特征摘要】
1.一种磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料，其特征在于，所述光催化材料由直径为600-800nm的圆盘状Fe3O4、尺寸为150-250nm的不规则片状Fe3O4以及修饰所述圆盘状Fe3O4、不规则片状Fe3O4的长度为200-1000nm的棒状ZnO组装而成。2.根据权利要求1所述的一种一种磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料，其特征在于，所述纳米复合光催化材料中Fe3O4与ZnO的摩尔比为1:3。3.一种如权利要求1或2所述的磁性Fe3O4/ZnO纳米复合光催化材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、采用水热法制备圆盘状Fe3O4和片状Fe3O4微粒：S11、将Fe(NO3)3·9H2O溶于乙二醇中，在磁力搅拌的条件下将氢氧化钠加入到上述乙二醇溶液中，得到先驱溶液，常温下继续搅拌10-20min，接着将先驱溶液倒入反应釜中，在180-200℃下反应12h，将产物自然冷却到室温，倒入烧杯中利用磁铁使沉淀物快速沉降，取出沉淀物并使用无水乙醇和去离子水依次清洗2-3次，在50-60℃真空下干燥15-20h，得到黑色产物Fe3O4；S2、采用低温液相法在圆盘状Fe3O4和片状Fe3O4微粒表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳芬，孙兆奇，张苗，高娟，金丽萍，王行之，王壮，房璐璐，何刚，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34