一种高活性α-Fe2O3纳米片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种高活性α‑Fe2O3纳米片及其制备方法和应用，其制备方法包括如下步骤：制备得到δ‑FeOOH前驱体；然后将δ‑FeOOH前驱体、可溶性硅酸盐和柠檬酸加入水中，分散均匀，调节pH至3‑7，转移至水热釜中，于150‑180℃反应8‑12h，即得α‑Fe2O3纳米片；其中，可溶性硅酸盐、柠檬酸和δ‑FeOOH前驱体的物质的量比为0.02‑0.03:0.003‑0.03:1。本发明专利技术提供的α‑Fe2O3纳米片的制备方法简单，条件温和，成本低，实现了对材料形貌的控制，且制备的α‑Fe2O3纳米片具有优异的光催化活性，可有效降解污水中难降解的酚类有毒污染物，在污水处理领域具有较好的应用前景。

A highly active alpha-Fe2O3 nanosheet and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种高活性α-Fe2O3纳米片及其制备方法和应用
本专利技术涉及材料制备的
，尤其涉及一种高活性α-Fe2O3纳米片及其制备方法和应用。
技术介绍
α-Fe2O3属于六方晶系的刚玉型结构，是一种廉价的环境友好的半导体材料,具有较高的稳定性，较窄的带隙能，对可见光具有较强的吸收能力，可吸收40％的太阳光光照能量，通过光芬顿反应可光催化降解有机污染物。但是，目前制备得到的α-Fe2O3材料的催化活性不甚理想。众所周知，材料的物理化学性能强烈地依赖于其尺寸和形貌，通过减小α-Fe2O3的颗粒尺寸、改变形貌以及表面修饰等，可提高α-Fe2O3的表面活性。因此，通过形貌调控、表面修饰等，制备具有高活性面的小尺寸纳米α-Fe2O3，具有重要的应用性。目前，尽管已有一些关于α-Fe2O3粒径、形貌及表面修饰的研究报道，但是其制备方法还存在工艺复杂、形貌不可控、成本高等问题。另外，α-Fe2O3的表面活性还有待进一步提高。因此，寻找一种简单的方法，低成本制备高活性的α-Fe2O3具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种高活性α-Fe2O3纳米片及其制备方法和应用，旨在解决现有α-Fe2O3材料制备工艺复杂、形貌不可控、制备成本高以及α-Fe2O3材料活性有待进一步提高的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：一种高活性α-Fe2O3纳米片的制备方法，包括如下步骤：步骤一、制备得到δ-FeOOH前驱体；步骤二、将所述δ-FeOOH前驱体、可溶性硅酸盐和柠檬酸加入水中，分散均匀，调节pH至3-7，转移至水热釜中，于150-180℃反应8-12h，得所述高活性α-Fe2O3纳米片。其中，所述可溶性硅酸盐、所述柠檬酸和所述δ-FeOOH前驱体的物质的量比为0.02-0.03:0.003-0.03:1。相对于现有技术，本专利技术提供的高活性α-Fe2O3纳米片的制备方法，以δ-FeOOH作为前驱体合成α-Fe2O3纳米片，δ-FeOOH是一种亚稳态化合物，活性较高，可在较低的水热温度下合成α-Fe2O3纳米片，此外，α-Fe2O3在δ-FeOOH表面原位成核，也有利于高活性α-Fe2O3纳米片的形成；通过加入可溶性硅酸盐，控制硅酸盐的加入量和pH值，可控制α-Fe2O3晶粒的生长方向，得到暴露高含量(110)活性晶面的片状α-Fe2O3；加入柠檬酸对α-Fe2O3表面进行修饰，柠檬酸可与α-Fe2O3晶核表面的Fe3+络合,抑制α-Fe2O3颗粒的生长,增加样品比表面积；同时，柠檬酸修饰后样品表面存在-COOH，有利于光还原反应的进行,促使表面Fe3+转化成Fe2+，有利于光芬顿反应的发生，提高α-Fe2O3的光催化降解活性。在pH为3-7的条件下，SiO32-阴离子在呈正电性的α-Fe2O3晶核表面吸附增强，使得α-Fe2O3沿a轴定向生长的趋势增强，因而更容易得到超薄纳米片，有利于提高α-Fe2O3的比表面积，进而有利于提高α-Fe2O3纳米片的催化活性。将反应时间控制为8-12h，有利于得到形状良好的片状α-Fe2O3。反应时间短，α-Fe2O3结晶性较差，时间过长，α-Fe2O3纳米片的厚度增加。本专利技术提供的高活性α-Fe2O3纳米片的制备方法，采用简单的水热法制备得到形貌可控的α-Fe2O3纳米片，反应条件温和，克服了传统需要高温和固定气氛灼烧等繁冗步骤，制备得到的α-Fe2O3纳米片直径约为120-180nm，片厚约为3-10nm，比表面积可达150.7m2/g，在光催化剂领域具有较好的应用前景。优选的，步骤一具体为：向硫酸亚铁溶液中加入乙二胺四乙酸溶液，调节pH至8.7-8.9，通入空气，于20-25℃反应1-1.5h，过滤，洗涤，干燥，得δ-FeOOH前驱体。优选的δ-FeOOH前驱体的制备方法，反应条件温和，简单易行，且制备得到的δ-FeOOH前驱体为低晶化性片状结构，在水热合成α-Fe2O3的过程中，α-Fe2O3在δ-FeOOH表面原位成核，有利于α-Fe2O3纳米片的形成。优选的，步骤一中，所述乙二胺四乙酸和硫酸亚铁的物质的量比为0.01-0.04:1。优选的，步骤一中，所述硫酸亚铁溶液的浓度为0.1-0.5mol/L。优选的，步骤一中，所述乙二胺四乙酸溶液的浓度为0.01-0.04mol/L。优选的硫酸亚铁和乙二胺四乙酸的浓度有利于两种充分发生络合反应，提高δ-FeOOH的纯度和收率。优选的，步骤一中，所述空气的通入速率为0.27-0.30m3.h-1。优选的乙二胺四乙酸和硫酸亚铁的物质的量比，有利于EDTA与Fe2+络合；优选的空气通入速率，可以加快Fe2+的氧化速率，促进δ-FeOOH的生成，获得纯度较高的δ-FeOOH。优选的，所述硫酸亚铁溶液的制备方法包括如下步骤：将低碳铁皮加入20-25wt％的硫酸中，过滤，得硫酸亚铁溶液。本专利技术中所述低碳铁皮中铁含量为99.9％。以廉价的低碳铁皮为原料，用稀硫酸溶解得到FeSO4溶液，临用现配，可避免FeSO4溶液中Fe2+被空气氧化，同时还降低了制备成本。优选的，步骤二中，所述可溶性硅酸盐为硅酸钠。硅酸根离子可选择性的吸附在α-Fe2O3的晶核表面，抑制α-Fe2O3某些晶面的生长，使某一晶面沿着一定方向定向生长，从而达到调控α-Fe2O3的形貌的目的，实现α-Fe2O3的形貌可控，硅酸钠对α-Fe2O3的晶核的吸附作用最强，更容易制备得到α-Fe2O3纳米片，且可使更多的(110)活性面暴露出来，有利于提高α-Fe2O3纳米片的活性。优选的，步骤二中，反应温度为160℃，反应时间为10h。优选的反应温度和反应时间，可以获得直径较大，厚度较薄的纳米片，有利于提高α-Fe2O3纳米片的比表面积，且有利于获得结晶性良好的片状结构。优选的，步骤二中，所述可溶性硅酸盐、柠檬酸和所述δ-FeOOH前驱体的物质的量比为0.026:0.003:1。优选的可溶性硅酸盐、柠檬酸和δ-FeOOH前驱体的质量比，有利于获得直径较大，厚度较薄的纳米片，有利于提高α-Fe2O3纳米片的比表面积，提高α-Fe2O3纳米片的催化活性。本专利技术还提供一种高活性α-Fe2O3纳米片，所述材料由上述的制备方法制备。本专利技术还提供了上述高活性α-Fe2O3纳米片在光催化降解难降解酚类有机污染物中的应用。附图说明图1为实施例3步骤2中制备的δ-FeOOH的红外光谱图；图2为实施例3中制备得到的α-Fe2O3纳米片的扫描电镜(SEM)图；图3为实施例3制备得到的α-Fe2O3纳米片的高分辨扫描电镜(HRSEM)图，左下角附图为α-Fe2O3纳米片的电子衍射图；图4为实施例3制备的α-Fe2O3的X射线衍射(XRD)图谱；图5为实施例3和对比例1制备得到的α-Fe2O3的XRD图中的(104)和(110)晶面的半峰宽分析图谱：a对比例1，b实施例3；图6为实施例3和对比例1制备的α-Fe2O3的红外光谱(IR)图：a对比例1，b实施例3；图7为实施例3制备的α-Fe2O3纳米片的X射线光电子能谱(XPS)图谱：(a)Fe2p分析图谱(b)O1s分析图谱(c)Si2p分析图谱(d)C1s分析图谱；图8为实施例3、实施例4和对比例1制备的α-Fe2O3的紫外可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高活性α‑Fe2O3纳米片的制备方法，其特征在于，其制备方法包括如下步骤：步骤一、制备得到δ‑FeOOH前驱体；步骤二、将所述δ‑FeOOH前驱体、可溶性硅酸盐和柠檬酸加入水中，分散均匀，调节pH至3‑7，转移至水热釜中，于150‑180℃反应8‑12h，得所述高活性α‑Fe2O3纳米片；其中，所述可溶性硅酸盐、所述柠檬酸和所述δ‑FeOOH前驱体的物质的量比为0.02‑0.03:0.003‑0.03:1。

【技术特征摘要】
1.一种高活性α-Fe2O3纳米片的制备方法，其特征在于，其制备方法包括如下步骤：步骤一、制备得到δ-FeOOH前驱体；步骤二、将所述δ-FeOOH前驱体、可溶性硅酸盐和柠檬酸加入水中，分散均匀，调节pH至3-7，转移至水热釜中，于150-180℃反应8-12h，得所述高活性α-Fe2O3纳米片；其中，所述可溶性硅酸盐、所述柠檬酸和所述δ-FeOOH前驱体的物质的量比为0.02-0.03:0.003-0.03:1。2.如权利要求1所述的高活性α-Fe2O3纳米片的制备方法，其特征在于，步骤一具体为：向硫酸亚铁溶液中加入乙二胺四乙酸溶液，调节pH至8.7-8.9，通入空气，于20-25℃反应1-1.5h，过滤，洗涤，干燥，得δ-FeOOH前驱体。3.如权利要求2所述的高活性α-Fe2O3纳米片的制备方法，其特征在于，所述硫酸亚铁溶液的浓度为0.1-0.5mol/L；和/或所述乙二胺四乙酸溶液的浓度为0.01-0.04mol/L。4.如权利要求3所述的高活性α-Fe2O3纳米片的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述乙二...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘华亭，陈汝芬，郭羽克，童孟丽，
申请(专利权)人：河北师范大学，
类型：发明
国别省市：河北,13