一种Fe基三元复合可见光催化剂及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Fe基三元复合可见光催化剂及制备方法和应用，(1)将2‑甲基咪唑和Fe

【技术实现步骤摘要】
一种Fe基三元复合可见光催化剂及制备方法和应用
本专利技术涉及光催化材料
，尤其是可见光响应光催化材料
，具体涉及一种新型Fe基复合可见光响应材料的制备方法及应用。
技术介绍
近年来，全球环境受到有毒重金属的严重污染，这已经严重威胁到了人类的生命健康。对于这些含重金属的废水，由于工业生产的复杂性与不可控性，常常伴随强酸强碱条件以及混合其它有毒物质，这样形成的复合型污染物不仅更进一步增加了毒性，而且大大增加了废水处理的难度。传统方法已经很难达到污染物的完全去除，寻找一种新的材料应用于水体治理迫在眉睫。杂多酸(POM)是一类具有良好的氧化还原催化性能和酸催化性能的双功能催化剂，具有一定的尺寸和结构，可随反应体系变化修饰架构；存在“假液相”行为，使其在催化过程中具有均相催化的特征等。然而，因为多酸易溶于水，多用作均相催化剂反应，一般以负载或对离子(Cs+、K+、NH4+等)化学沉积的方式实现均相POM的非均相化。但固化后的多酸仍然不具备很好的稳定性，且比表面积较小，难以广泛应用。金属-有机骨架(MOFs)是由金属离子与有机配体形成的一种材料，具有较大的比表面积和可调控的孔道结构，且在催化、吸附等方面有广泛应用，引起了研究者们的关注。一方面，MOFs因其较强的吸附能力，常当作吸附剂，去除水中各种有害污染物(染料、杀虫剂等)。另一方面，研究表明，在光照下，有机桥接配体可以作为天线收获光并激活MOFs的金属节点，表明其有类似半导体的行为，这促使研究人员开发新的基于MOFs的光催化材料，利用该材料结合太阳能来降解水中的污染物。在含有Fe3+离子存在的溶液中加入少量碱即可形成羟基氧化铁，即FeOOH，近期研究发现其可作为可见光催化剂实现有机污染物的降解或Cr(VI)还原。将POM与MOF材料相结合，一方面利用MOF材料易调节的孔道和相对更大的比表面积对多酸进行改性，提高多酸的稳定性和吸附能力，另一方面，由于多酸的附着也提高了MOF表面的活性位点，具有理论上更好的催化性能。进一步结合可见光响应的FeOOH，构建多元复合异质结，实现电子的阶梯传输，有利于抑制光生电子-空穴对的复合，提升光催化效率。
技术实现思路
本专利技术提供了一种一锅法制备的Fe4(SiW12O40)3/FeOOH/Fe-2MI可见光催化剂的制备方法及应用，该光催化剂的制备方法简单快捷，成功率极高，原料价格低廉，合成的光催化剂具有很好的可见光响应性能。一种Fe基三元复合可见光催化剂，具有以式(Ⅰ)表示的结构组成：Fe4(SiW12O40)3/FeOOH/[Fe(2-mim)3·nH2O](Ⅰ)。本专利技术还提供一种一锅法制备Fe基三元复合可见光催化剂的方法，包括如下步骤：(1)将2-甲基咪唑和Fe3+分别分散在甲醇中，形成均匀的2-甲基咪唑甲醇溶液和Fe3+的甲醇溶液，随后将2-甲基咪唑甲醇溶液逐滴滴加至Fe3+的甲醇溶液中，搅拌至混合均匀，得到Fe-2MI前驱体溶液；(2)将硅钨酸溶于甲醇中得硅钨酸甲醇溶液，然后将硅钨酸甲醇溶液加入步骤(1)得到的Fe-2MI前驱体溶液中，搅拌至混合均匀后转移到聚四氟乙烯高压反应釜中进行溶剂热反应；(3)将溶剂热反应完成后的溶液依次经洗涤、活化、真空干燥后得到Fe4(SiW12O40)3/FeOOH/Fe-2MI可见光催化剂。本专利技术采用溶剂热法一步制备目标催化剂，将2-MI和Fe3+分别溶于甲醇中，混合均匀后将两种溶液混合，使Fe3+和2-MI在室温下发生配位反应生成MOF，通过引入多酸并进行溶剂热，多酸的酸性可以对Fe-2MI表面进行刻蚀，并原位取代部分有机陪体，原位生成多酸/MOF异质结，并且在加热过程中部分Fe被氧化，形成FeOOH颗粒附着在材料表面。该复合催化剂以Fe-2MI为主体(带隙：2.69eV)，Fe4(SiW12O40)3(带隙：2.70eV)和FeOOH(带隙：1.92eV)为修饰物。其中，Fe-2MI的导带和价带位置分别约为-0.2V和+2.49V(vsNHE)。Fe-2MI的导电电子(-0.2V)易于传递给导带位置更正的Fe4(SiW12O40)3(+0.12V)和FeOOH(+0.92V)。与此同时，价带空穴从Fe4(SiW12O40)3(+2.82V)和FeOOH(+2.84V)转移至Fe-2MI(2.49V)，实现光生电子和空穴的空间分离，进而空穴氧化降解有机物，电子还原Cr(VI)。本专利技术通过溶剂热一锅法实现了Fe4(SiW12O40)3/FeOOH/Fe-2MI的制备，制备方法简单，易于实现，并且具有优异的可见光催化活性。优选地，所述2-甲基咪唑甲醇溶液的浓度为0.5～5mmol/mL、Fe3+的甲醇溶液的浓度为0.1～0.5mmol/mL；进一步优选地，步骤(1)中2-MI溶液的浓度为1～3mmol/mL；Fe3+溶液的浓度0.15～0.25mmol/mL；最优选地，步骤(1)中2-MI溶液的浓度为2mmol/mL；Fe3+溶液的浓度0.2mmol/mL。制备2-MI溶液的溶剂甲醇的体积分数为99.5％，搅拌时间为30～60分钟；制备Fe3+溶液的溶剂甲醇的体积分数为99.5％，搅拌时间为60～120分钟。优选地，Fe3+的甲醇溶液与2-甲基咪唑溶液的混合比例以Fe3+与2-甲基咪唑摩尔比为1:20～1:1计。进一步优选地，步骤(1)中Fe3+溶液与2-MI溶液的混合比例以Fe3+与2-MI摩尔比为1:15～1:5计。最优选地，Fe3+溶液与2-MI溶液的混合比例以Fe3+与2-MI摩尔比为1:10计。混合后的搅拌时间大于60min但不超过120min。优选地，硅钨酸甲醇溶液的浓度为0.001～0.025mmol/mL；进一步优选地，步骤(2)中硅钨酸溶液的浓度为0.002～0.01mmol/mL，最优选地，步骤(2)中硅钨酸溶液的浓度为0.005mmol/mL。制备硅钨酸溶液的溶剂甲醇的体积分数为99.5％，搅拌时间为60～90分钟。优选地，Fe-2MI前驱体溶液与硅钨酸甲醇溶液的混合比例以Fe3+与硅钨酸摩尔比为100:1～20:1计。进一步优选地，Fe3+与硅钨酸摩尔比为50:1～25:1；最优选地，混合溶液与硅钨酸溶液的混合比例以Fe3+与硅钨酸摩尔比为50:1计。混合后的搅拌时间为60min。优选地，溶剂热反应的温度为为120～180℃，反应时间为60～180min。进一步优选地，步骤(2)中溶剂热温度为140～160℃，时间为90～150min；最优选地，步骤(2)中溶剂热温度为150℃，时间为120min。本专利技术依次采用磷钼酸、磷钨酸等其他多金属氧酸盐取代硅钨酸在相同条件下进行制备，对制备出的材料进行表征和应用效果测试进而进行优选，得到硅钨酸的效果最佳，最终优选出硅钨酸。步骤(3)中，对已经制备出的可见光催化剂依次采用乙醇和水进行洗涤，洗涤次数大于5次；洗涤完成后，采用大量甲醇进行搅拌活化，搅拌方式为机械搅拌，活化时间＞48h；最后将其放置于60℃真空干燥箱烘干过夜，研磨得到目标可见光催化剂。一种最优选的制备方法，包括如下步骤：(1)将2-MI均匀分散于甲醇中，得2-MI溶液；将Fe3+均匀分散于甲醇中得Fe3+溶液；步骤(1)中2-MI溶液的浓度为2mmo本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Fe基三元复合可见光催化剂，其特征在于，具有以式(Ⅰ)表示的结构组成：Fe4(SiW12O40)3/FeOOH/[Fe(2‑mim)3·nH2O]     (Ⅰ)。

【技术特征摘要】
1.一种Fe基三元复合可见光催化剂，其特征在于，具有以式(Ⅰ)表示的结构组成：Fe4(SiW12O40)3/FeOOH/[Fe(2-mim)3·nH2O](Ⅰ)。2.一种一锅法制备Fe基三元复合可见光催化剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将2-甲基咪唑和Fe3+分别分散在甲醇中，形成均匀的2-甲基咪唑甲醇溶液和Fe3+的甲醇溶液，随后将2-甲基咪唑甲醇溶液逐滴滴加至Fe3+的甲醇溶液中，搅拌至混合均匀，得到Fe-2MI前驱体溶液；(2)将硅钨酸溶于甲醇中得硅钨酸甲醇溶液，然后将硅钨酸甲醇溶液加入步骤(1)得到的Fe-2MI前驱体溶液中，搅拌至混合均匀后转移到聚四氟乙烯高压反应釜中进行溶剂热反应；(3)将溶剂热反应完成后的溶液依次经洗涤、活化、真空干燥后得到Fe4(SiW12O40)3/FeOOH/Fe-2MI可见光催化剂。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述2-甲基咪唑甲醇溶液的浓度为0.5～5mmol/mL、Fe3+的甲醇溶液的浓度为0.1～0.5mmol/mL；Fe3+的甲醇溶液与2-甲基咪唑溶液的混合比例以...

【专利技术属性】
技术研发人员：王齐，高桥远，岑擎，贺琴，林大港，范勇杰，
申请(专利权)人：浙江工商大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33