一种Fe3O4/GQD纳米催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种Fe3O4/GQD纳米催化剂及其制备方法和应用。本发明专利技术所述的四氧化三铁修饰石墨烯量子点是通过共沉淀法制备得到的，其具有良好的稳定性。通过芬顿反应，可以有效地催化降解水中低浓度有机污染物，如染料，农药，激素，持久性有机污染物等。本发明专利技术涉及的纳米催化剂其制备方法简单，成本低廉，可宏量制备，具有高效的催化活性等特点，有望用于低浓度、难处理有机废水的净化。

Fe3O4 / GQD nano catalyst and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种Fe3O4/GQD纳米催化剂及其制备方法和应用
本专利技术涉及纳米材料及环保领域，特别涉及一种Fe3O4/GQD纳米催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
有机污染物具有稳定性高，毒性大，分布广，难处理等特点。尤其以水中低浓度的有机污染物更是难以完全去除。因此，开发新材料以及新方法用以净化含低浓度有机污染物的环境污水成为目前研究的重点。芬顿反应是一种广泛应用于处理有机废水的高级氧化技术。通过Fe2+和H2O2反应产生的OH自由基，其具有很强的氧化能力，可氧化降解水中大多数的有机物。为保证芬顿反应的有效性，反应体系中使用的催化剂尤为重要。应用于芬顿反应的催化剂分为均相催化剂和非均相催化剂两种。其中，均相催化剂（如亚铁盐/铁盐等）反应效率低，且无法重复使用，而非均相催化剂（如氧化铁纳米粒子、氧化铁/碳复合材料等）则可克服均相催化剂的这些缺点。将氧化铁纳米粒子固定在载体（尤其是碳纳米材料）上可有效地提高芬顿反应的效率，并且其化学稳定性、循环使用次数、催化速度得到改善。石墨烯量子点（GQD）是石墨烯的重要衍生物，其具有尺寸小、比表面积大、吸附能力强、水溶性好、稳定性高、易于表面修饰等特点。通过原位共沉淀法将Fe3O4沉积到GQD表面，可有效地提高Fe3O4的稳定性。此外，沉积在GQD表面的Fe3O4可更多地暴露在环境中，有利于增强其与介质中H2O2及有机污染物的接触，从而大大提高催化降解的效率。因此，本专利技术利用Fe3O4修饰GQD制备了一种非均相的芬顿反应催化剂，用于催化降解水中低浓度有机污染物，实现高效的、可重复利用的污染物去除。
技术实现思路
针对现有问题的不足，本专利技术的第一个目的是提供一种Fe3O4/GQD纳米催化剂；本专利技术的第二个目的是提供一种Fe3O4/GQD纳米催化剂的制备方法；本专利技术的第三个目的是提供一种Fe3O4/GQD纳米催化剂的制备方法的应用；本专利技术利用四氧化三铁修饰石墨烯量子点（Fe3O4/GQD）且可用于类芬顿法催化降解水中低浓度有机污染物。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种Fe3O4/GQD纳米催化剂，通过原位共沉淀的方法将四氧化三铁纳米粒子沉积到石墨烯量子点上得到。具体的，Fe3O4/GQD的制备方法为：步骤（1）：在圆底烧瓶中加入去离子水，将GQD溶于去离子水中，超声分散，浓度为0.01~0.5mg/mL；用氨水调pH值为11，移入油浴锅，升温至80℃；步骤（2）：向步骤（1）所述GQD溶液中滴加FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O混合液（Fe2+:Fe3+=1:2，摩尔比），继续反应1-4小时；步骤（3）：反应完成后冷却到室温，在去离子水中透析，得到净化后的Fe3O4/GQD溶液。其中，所述步骤（1）中，将GQD溶于去离子水中时，超声分散5-15分钟。其中，所述步骤（2）中，FeCl2·4H2O与FeCl3·6H2O的质量和与GQD的质量比为1：1~1：10。其中，所述步骤（3）中，透析时间为2天。其中，所述GQD的尺寸约为5nm，所述Fe3O4/GQD纳米催化剂的尺寸约为10nm。上述Fe3O4/GQD纳米催化剂催化降解水中有机污染物的应用。优选的，所述Fe3O4/GQD纳米催化剂在水中低浓度有机污染物的降解去除。其中，所述有机污染物主要包括：（1）染料类：如亚甲基蓝，中性红，甲基橙，孔雀石绿，结晶紫，台盼蓝等；（2）农药类：如阿维菌素，毒死蜱，草甘膦，咪鲜胺，春雷霉素，茚虫威，高效氯氟氰菊酯等；（3）抗生素类：如四环素，青霉素，土霉素，多西环素，红霉素，氧氟沙星，诺氟沙星，罗红霉素，磺胺甲恶唑等；（4）持久性有机污染物：如多氯联苯，十溴联苯醚，五氯苯，苯酚，双酚A等。优选的，本专利技术有机污染物包括但不限于染料、农药、抗生素、持久性有机污染物等。优选的，本专利技术所述降解去除有机污染物是通过芬顿法实现的。本专利技术进一步提出利用芬顿法催化降解有机污染物的具体方法：在含有0.1-10mg/L有机污染物的水溶液中加入1-100mM的H2O2与1-100μM的Fe3O4/GQD，在pH1-7、20-100℃条件下反应0.1-10h。其中，有机污染物浓度优选为1-5ppm，H2O2浓度优选为5-20mM，Fe3O4/GQD浓度优选为5-20μM，反应温度优选为40-70℃，反应时间优选为0.5-2h。有益效果（1）本专利技术的Fe3O4/GQD纳米催化剂是一种高效芬顿催化剂，与传统催化剂相比，其使用量可大大减少。（2）本专利技术的Fe3O4/GQD纳米催化剂制备工艺成熟，方法简单，成本低廉，因此，其在印染废水处理、农药废水处理等领域具有重要的应用前景。（3）本专利技术的Fe3O4/GQD纳米催化剂，具有良好的稳定性，在多次重复使用后依然保持高催化效率。附图说明图1为实施例1所述Fe3O4/GQD的透射电子显微镜图；图2为实施例1所述Fe3O4/GQD的紫外可见光谱图；图3为实施例1所述Fe3O4/GQD的傅立叶变换红外光谱图；图4为实施例1所述芬顿反应过程中不同时间的紫外可见分光光谱图；图5为实施例1所述芬顿反应过程中Fe3O4/GQD浓度对亚甲基蓝降解的影响；图6为实施例1所述芬顿反应过程中H2O2浓度对亚甲基蓝降解的影响；图7为实施例1所述芬顿反应过程中pH值对亚甲基蓝降解的影响；图8为实施例1所述芬顿反应过程中温度对亚甲基蓝降解的影响。图9为实施例1所述芬顿反应过程中催化剂Fe3O4/GQD的循环使用效果。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术做进一步详细说明。所用试剂或者仪器设备未注明生产厂商的，均视为可以通过市场购买的常规产品。实施例1：本实施例提供一种Fe3O4/GQD纳米催化剂的制备方法及其通过芬顿法降解模拟有机污染物亚甲基蓝。A.Fe3O4/GQD纳米催化剂的制备取5mgGQD溶于50mL去离子水中并置于150mL圆底烧瓶内，超声分散5min后，用25%氨水调pH值为11，再移入油浴锅，80℃油浴条件下搅拌10min，然后将10mL含8mgFeCl2·4H2O和21.6mgFeCl3·6H2O的混合液慢慢滴加进去，保持80℃反应4小时。获得的产物在去离子水中透析2天，超滤浓缩待用。B.Fe3O4/GQD纳米催化剂用于模拟有机污染物亚甲基蓝的降解方法，以及Fe3O4/GQD的剂量、H2O2剂量、pH值、温度对芬顿法催化亚甲基蓝降解的影响，Fe3O4/GQD纳米催化剂的循环使用效率。（1）Fe3O4/GQD纳米催化剂催化降解亚甲基蓝的过程及实验方法将50mL5ppmMB加入到150mL圆底烧瓶中用1MHCl调pH值为3，然后置于60℃油浴搅拌。向反应液中依次加入0.5mL3%H2O2、0.5mL0.2mg/mLFe3O4/GQD纳米催化剂，反应2小时，每隔15min取样并测定其在不同时间的紫外可见吸收光谱图。（2）Fe3O4/GQD剂量对亚甲基蓝降解效率的影响与（1）相比，其他条件不变，仅改变Fe3O4/GQD的剂量为0.2mL、0.5mL、1mL0.2mg/mL。（3）H2O2剂量对亚甲基蓝降解效率的影响与（1）相比，其他条件不变，仅改变H2O2的剂量为0.1mL、0.2mL、0.5mL、1mL0.2mg/mL。（4）pH值对亚甲基蓝降解效率的影响。与（1）相比，其他条件不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Fe3O4/GQD纳米催化剂，其特征在于，所述纳米催化剂是通过共沉淀法将Fe3O4纳米颗粒沉积在GQD上制备得到的。

【技术特征摘要】
1.一种Fe3O4/GQD纳米催化剂，其特征在于，所述纳米催化剂是通过共沉淀法将Fe3O4纳米颗粒沉积在GQD上制备得到的。2.权利要求1所述的Fe3O4/GQD纳米催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤（1）：将GQD溶于去离子水中，超声分散，浓度为0.01~0.5mg/mL；用氨水调pH值为11，再移入油浴锅，升温至80℃；步骤（2）：向步骤（1）所述GQD溶液中滴加FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O混合液，继续反应0.5~4小时，其中，Fe2+与Fe3+的摩尔比为Fe2+:Fe3+=1:2；步骤（3）：反应完成后冷却到室温，在去离子水中透析，得到净化后的Fe3O4/GQD溶液。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，FeCl2·4H2O与FeCl3·6H2O的质量和与GQD的质量比为1：1~1：10。4.权利要求1所述的Fe3O4/GQD纳米催化剂通过芬顿反应催化降解水中有机污染物的应用。5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈健，宋赛杰，周宁琳，王玉丽，楚晓红，孙宝宏，吴凡，张启成，冯文立，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32