Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种本发明专利技术公开了一种Fe3O4@ZnO@N‑C复合光催化材料的制备方法，以可控亚微米尺寸的Fe3O4磁性纳米粒子为载体，通过负载ZnO制备出Fe3O4@ZnO复合催化剂；利用Zn

Preparation of Fe3O4@ZnO@N-C Composite Photocatalytic Materials

The invention discloses a preparation method of a Fe3O4@ZnO@N_C Composite Photocatalytic material, in which Fe3O4 magnetic nanoparticles with controllable submicron size are used as carriers to prepare Fe3O4@ZnO composite catalyst by loading ZnO, and zinc is used as catalyst.

【技术实现步骤摘要】
Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料的制备方法
本专利技术涉及一种复合光催化剂的制备方法，特别是涉及一种ZnO复合光催化剂的制备方法，应用于光催化材料制备工艺

技术介绍
由于制造业的快速发展，工业纺织品和化妆品中的大量有机染料被排放到河流和海洋中，这严重破坏了环境和生态平衡，因此污染物的去除变得尤为重要。1972年Nature杂志上报道了在TiO2电极上光解水的重要科学研究，这也是光催化材料研究开始的标志。在环境化学领域，常用的无机半导体光催化材料主要包括ZnO，TiO2，CdS，ZnS和MoS2等。ZnO因其制备简单、无毒、化学性质稳定、低成本和高催化活性而被认为是一种很有前景的纳米材料。但纯ZnO材料带隙能较宽，达到3.2eV，只能在波长低于387nm的紫外光照射下激发产生电子-空穴对，并且光生电子-空穴对的高速复合和材料的难以回收再利用限制了它的应用。因此，人们通过复合半导体、贵重金属掺杂、不同形貌调控等方法对其改性。除此之外，还可通过将ZnO固定在具有大比表面积的载体材料上来制备复合光催化剂，以加大催化剂和反应物之间的接触面积，防止纳米颗粒的聚集。但目前的ZnO复合光催化剂的制备和重复利用还存在成本不理想、工艺较复杂、降解能力有待提高的技术问题亟待解决。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料的制备方法，Fe3O4是一种磁性材料，将其作为复合材料的内核，可以提高回收率，从而提高材料的循环使用性，氮掺杂的碳材料是一种多孔材料，这种多孔材料可以有效地吸附污染物分子，并且可以提供很多电子陷阱，这些电子陷阱可以使ZnO被激发产生的光沈电子很容易转移到多孔碳表面，降低光生电子-空穴对的复合，光生电子与O2结合形成高活性的·O2-自由基来提高光催化降解性能。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料的制备方法，其特征在于：以平均粒径为100～150nm的亚微米尺寸的磁性Fe3O4纳米粒子作为载体，通过负载ZnO制备出Fe3O4@ZnO复合催化剂，然后利用Zn2+与二-甲基咪唑之间的络合作用，在Fe3O4@ZnO外层沉积一层金属有机框架材料ZIF-8，制备出Fe3O4@ZnO@ZIF-8复合材料，最后通过热处理工艺将ZIF-8转变成ZnO和氮掺杂的碳，从而得到Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料。作为本专利技术优选的技术方案，Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料的制备方法，步骤如下：a.合成Fe3O4磁性纳米粒子材料：取1.0～3.0g的FeCl3·6H2O、0.5～1.0g的柠檬酸钠和3.0～5.0g的无水乙酸钠加入100mL醇类溶剂中，搅拌至少30min，使其完全溶解混合，然后将得到的混合溶液转移至反应釜中，在150～200℃加热5～10h进行水热反应，得到水热产物混合液，然后进行磁性分离，得到黑色产物，再用乙醇和蒸馏水将产物各清洗至少三次，然后将得到的固体进行真空干燥，即得Fe3O4磁性纳米粒子材料；b.合成Fe3O4@ZnO材料：取1.0～3.0g的Zn(Ac)2·H2O和0.5～1.0g的NaOH各溶解在40mL蒸馏水中，分别得到Zn(Ac)2·H2O溶液和NaOH溶液；然后在不断搅拌下，将NaOH溶液加入至Zn(Ac)2·H2O溶液中，搅拌均匀后，得到原料混合液；取0.1～0.5g在所述步骤a制得的Fe3O4磁性纳米粒子材料加入至原料混合液中，待超声至少10min后，将加入Fe3O4的原料混合液转移至反应釜中，在150～200℃加热10～20h，得到水热产物混合液；然后磁性分离得到产物，用乙醇和蒸馏水将产物各清洗至少三次，然后将得到的固体进行真空干燥，即得Fe3O4@ZnO材料；c.Fe3O4@ZnO@ZIF-8中间产物的制备：取0.1～0.5g在所述步骤b制得的Fe3O4@ZnO材料和0.1～0.5g的2-甲基咪唑加入至32mL含有DMF和水的混合溶剂的反应釜中，待超声至少10min后，将反应釜转移至烘箱中，在50～80℃加热10～30h，得到水热产物混合液；然后磁性分离得到产物，用乙醇将产物各清洗至少三次，然后将得到的固体进行真空干燥，即得Fe3O4@ZnO@ZIF-8中间产物，将Fe3O4@ZnO包覆于ZIF-8的金属有机框架中，形成包络结构；d.合成Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料：在氮气或惰性气体氛围下，将在所述步骤c制得的Fe3O4@ZnO@ZIF-8中间产物在500～900℃进行退火处理1～4h，然后在空气氛围下并在200～400℃进行煅烧处理1～5h，即得到Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a中，进行合成Fe3O4磁性纳米粒子材料工艺时，取1.5～3.0g的FeCl3·6H2O、0.6～0.85g的柠檬酸钠和3.6～5.0g的无水乙酸钠加入100mL醇类溶剂中，搅拌至少30min，使其完全溶解混合，然后将得到的混合溶液转移至反应釜中，在150～190℃加热6～10h进行水热反应，得到水热产物混合液。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤b中，进行合成Fe3O4@ZnO材料工艺时，取1.5～2.5g的Zn(Ac)2·H2O和0.5～1.0g的NaOH各溶解在40mL蒸馏水中，分别得到Zn(Ac)2·H2O溶液和NaOH溶液；然后在不断搅拌下，将NaOH溶液加入至Zn(Ac)2·H2O溶液中，搅拌均匀后，得到原料混合液；取0.2～0.5g在所述步骤a制得的Fe3O4磁性纳米粒子材料加入至原料混合液中，待超声至少10min后，将加入Fe3O4的原料混合液转移至反应釜中，在150～200℃加热10～16h进行水热反应，得到水热产物混合液。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤c中，进行Fe3O4@ZnO@ZIF-8中间产物的制备工艺时，取0.1～0.3g在所述步骤b制得的Fe3O4@ZnO材料和0.25～0.4g的2-甲基咪唑加入至32mL含有DMF和水的混合溶剂的反应釜中，待超声至少10min后，将反应釜转移至烘箱中，在50～80℃加热12～20h进行水热反应，得到水热产物混合液。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤c中，进行Fe3O4@ZnO@ZIF-8中间产物的制备工艺时，所述的DMF和水的用量体积比为(1～4):1。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a～c中，将得到的固体进行真空干燥至少8h，得到干燥的水热产物。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤d中，将在所述步骤c制得的Fe3O4@ZnO@ZIF-8中间产物在500～800℃进行退火处理1～4h，然后在空气氛围下并在200～400℃进行煅烧处理2～4h，即得到Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤d中，所述退火和煅烧处理工艺采用的升温速率为1～4℃/min。本专利技术Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料的制备方法，以可控亚微米尺寸的Fe3O4磁性纳米粒子为载体，通过负载ZnO制备出Fe3O4@ZnO复合催化剂；利用Zn2+与二-甲基咪唑之间的络合作用在Fe3O4@ZnO外层沉积一层金属有机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Fe3O4@ZnO@N‑C复合光催化材料的制备方法，其特征在于：以平均粒径为100～150nm的亚微米尺寸的磁性Fe3O4纳米粒子作为载体，通过负载ZnO制备出Fe3O4@ZnO复合催化剂，然后利用Zn

【技术特征摘要】
1.一种Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料的制备方法，其特征在于：以平均粒径为100～150nm的亚微米尺寸的磁性Fe3O4纳米粒子作为载体，通过负载ZnO制备出Fe3O4@ZnO复合催化剂，然后利用Zn2+与二-甲基咪唑之间的络合作用，在Fe3O4@ZnO外层沉积一层金属有机框架材料ZIF-8，制备出Fe3O4@ZnO@ZIF-8复合材料，最后通过热处理工艺将ZIF-8转变成ZnO和氮掺杂的碳，从而得到Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料。2.根据权利要求1所述Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a.合成Fe3O4磁性纳米粒子材料：取1.0～3.0g的FeCl3·6H2O、0.5～1.0g的柠檬酸钠和3.0～5.0g的无水乙酸钠加入100mL醇类溶剂中，搅拌至少30min，使其完全溶解混合，然后将得到的混合溶液转移至反应釜中，在150～200℃加热5～10h进行水热反应，得到水热产物混合液，然后进行磁性分离，得到黑色产物，再用乙醇和蒸馏水将产物各清洗至少三次，然后将得到的固体进行真空干燥，即得Fe3O4磁性纳米粒子材料；b.合成Fe3O4@ZnO材料：取1.0～3.0g的Zn(Ac)2·H2O和0.5～1.0g的NaOH各溶解在40mL蒸馏水中，分别得到Zn(Ac)2·H2O溶液和NaOH溶液；然后在不断搅拌下，将NaOH溶液加入至Zn(Ac)2·H2O溶液中，搅拌均匀后，得到原料混合液；取0.1～0.5g在所述步骤a制得的Fe3O4磁性纳米粒子材料加入至原料混合液中，待超声至少10min后，将加入Fe3O4的原料混合液转移至反应釜中，在150～200℃加热10～20h，得到水热产物混合液；然后磁性分离得到产物，用乙醇和蒸馏水将产物各清洗至少三次，然后将得到的固体进行真空干燥，即得Fe3O4@ZnO材料；c.Fe3O4@ZnO@ZIF-8中间产物的制备：取0.1～0.5g在所述步骤b制得的Fe3O4@ZnO材料和0.1～0.5g的2-甲基咪唑加入至32mL含有DMF和水的混合溶剂的反应釜中，待超声至少10min后，将反应釜转移至烘箱中，在50～80℃加热10～30h，得到水热产物混合液；然后磁性分离得到产物，用乙醇将产物各清洗至少三次，然后将得到的固体进行真空干燥，即得Fe3O4@ZnO@ZIF-8中间产物，将Fe3O4@ZnO包覆于ZIF-8的金属有机框架中，形成包络结构；d.合成Fe3O4@ZnO@N-C复合光催化材料：在氮气或惰性气体氛围下，将在所述步骤c制得的Fe3O4@ZnO@ZIF-8中间产物在500～900℃进行退火处理1～4h，然后在空气氛围下并在200～400℃进行煅烧处理1～5h，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志文，赵骏如，王云，胡张军，黄守双，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31