三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料的制备方法，包括以下步骤：将钴源溶解在乙二胺溶液中，获得钴源–乙二胺前驱体；将钛源溶解在丙三醇的水溶液中，获得钛源–丙三醇前驱体；将钴源–乙二胺前驱体和钛源–丙三醇前驱体加入到碱溶液中，混合均匀后在180～220℃下反应12～48h，反应结束后离心、洗涤、干燥，即得到三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料。本发明专利技术制得的钴钛尖晶石纳米材料具有球形花状微观形貌，且表现出单分散、纯相晶型、孔道结构发达(～10.8nm)和比表面积大(113.6m

【技术实现步骤摘要】
三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料的制备方法及其应用
本专利技术涉及多相催化
，尤其涉及一种三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料的制备方法及其应用。
技术介绍
近年来，由于工业废水及生产污水的肆意排放，大量有机污染物侵袭水体环境，造成严重的水资源污染问题。高级氧化技术，以产生强氧化活性自由基为特点，在有机废水处理方面表现出优异的性能和良好的应用前景，其中，硫酸根自由基(SO4–·)具有半衰期长(30～40μs)、氧化还原电位高(2.5～3.1V)等优势，受到众多研究者关注。目前，钴基催化剂被证明是活化过硫酸盐产生硫酸根自由基的首选。研究和开发新型高效钴基催化剂仍然存在挑战。钴钛尖晶石(Co2TiO4)具有稳定的晶型结构，广泛应用于颜料行业，是一种潜在的高效钴基高级氧化催化剂，目前尚未出现关于该材料在高级氧化领域的研究报道，并且现有合成方法不仅条件苛刻，而且制备出的材料往往形貌结构无规则、伴有杂相物质、比表面积较小。因此，发展简单的方法制备形貌规整、晶型优异的高效钴基异相催化剂纳米材料兼具研究意义和应用价值。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4的“一步”水热制备方法，还提供了该钴钛尖晶石纳米材料活化过硫酸盐催化降解有机污染物的应用。本专利技术提供一种三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料的制备方法，包括以下步骤：S1，制备钴源–乙二胺前驱体：将钴源溶解在乙二胺溶液中，获得钴源–乙二胺前驱体；S2，制备钛源–丙三醇前驱体：将钛源溶解在丙三醇的水溶液中，获得钛源–丙三醇前驱体；S3，将步骤S1的钴源–乙二胺前驱体和步骤S2的钛源–丙三醇前驱体加入到碱溶液中，混合均匀后在180～220℃下进行高温水热反应12～48h，反应结束后离心、洗涤、干燥，即得到三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4。进一步地，步骤S1中使用的钴源为二价钴盐，可以为CoCl2·6H2O、CoC2O4·4H2O或Co(NO3)2·6H2O；钴源与乙二胺的物质的量比为1:100。进一步地，步骤S2中使用的钛源为钛酸四异丙酯或钛酸四丁酯，钛源与丙三醇的物质的量比为1:400。进一步地，钴源和钛源的物质的量比为1:(0.5～2)。进一步地，碱溶液选用浓度为4mol/L的NaOH溶液。进一步地，离心过程中离心机的转速为3000～10000rpm，离心时间为3min，干燥温度为60℃，干燥时间为12h。本专利技术还提供了利用上述制备方法制得的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料。利用上述制备方法制得的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4能够应用于高级氧化技术，以过硫酸盐为氧化剂条件下，实现有机污染物(如氧氟沙星OFX)的高效催化降解，表现出优异的催化活性和良好的循环稳定性。本专利技术提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本专利技术采用简单的“一步”高温水热法制备由纳米片组成的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料，具有工艺简单、成本低廉、方便快捷的优点，且产量大，易于规模化生产；本专利技术提供的制备方法分别选用乙二胺和丙三醇实现钴源和钛源的保护，并控制水解速度，有效避免在后续反应中其他杂相(如钴基氧化物、氢氧化物、二氧化钛等)的形成；(2)本专利技术提供的制备方法制得的钴钛尖晶石纳米材料具有球形花状微观形貌，且表现出单分散、纯相晶型、孔道结构发达(～10.8nm)和比表面积大(113.6m2·g–1)等特点；(3)基于物性结构和化学成分的优势，本专利技术制备的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4相对于其他方法制备的材料，对过硫酸盐表现出更加优异的催化性能，实现了有机污染物的高效催化降解且具备良好的循环稳定性。附图说明图1为本专利技术实施例1制备三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4的工艺流程图。图2为本专利技术实施例1制备的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4的扫描电镜图。图3为本专利技术实施例1制备的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4的X射线衍射图。图4为本专利技术实施例1制备的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4的N2吸脱附曲线图。图5为本专利技术对比例1制备的钴钛尖晶石纳米材料的扫描电镜图。图6为本专利技术实施例1和对比例1制得的钴钛尖晶石纳米材料活化过硫酸盐降解OFX的动力学曲线图。图7为本专利技术实施例1制备的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4活化过硫酸盐降解OFX的循环效果图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本专利技术实施方式作进一步地描述。实施例1：将1.25mmolCoCl·6H2O溶于8mL(15.625mol/L)乙二胺溶液中制得钴–乙二胺前驱体；将1.25mmol钛酸四异丙酯溶于丙三醇的水溶液(丙三醇的使用体积为32mL，丙三醇的浓度为15.625mol/L，水的使用体积为20mL)中制得钛–丙三醇前驱体；将上述钴–乙二胺前驱体和钛–丙三醇前驱体倒入16mL浓度为4mol/L的NaOH溶液中，并封装在配有不锈钢外壳的聚四氟乙烯反应釜内衬中，200℃条件下反应24h，然后在8000rpm的转速条件下离心3min，洗涤，60℃条件下干燥12h，得到三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4。上述制备过程的工艺流程图见图1。对实施例1制得的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4进行扫描电镜表征，如图2所示，该材料表现出单分散、球形、花状的微观形貌特征，未见其他形貌。对实施例1制得的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4进行X射线衍射分析，如图3所示，衍射图谱中出现多个明显的衍射峰，证明实施例1制得的材料具有良好的晶型结构，进一步地，所有衍射峰与标准卡片(Co2TiO4,JCPDS#39-1410)完全吻合，表明该材料为尖晶石结构，且已成功制备钴钛尖晶石材料，未发现其他杂相出现，这得益于钴源和钛源前驱体的有效保护及水解速率的控制。对实施例1制得的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料Co2TiO4进行N2吸脱附表征，如图4所示，有明显的滞后环出现，表示所制得的材料具有介孔结构特征，进一步地，由孔径分布图可以得知，最可几孔径为10.8nm，BET比表面积为113.6m2/g，大的比表面积得益于三维多级的花状结构。对比例1：将1.25mmolCoCl·6H2O溶于8mL(15.625mol/L)乙二胺溶液中制得钴–乙二胺前驱体；称取0.1g二氧化钛加入钴–乙二胺前驱体溶液中，混合得到悬浊液；将上述悬浊液倒入16mL浓度为44mol/L的NaOH溶液中，并封装在配有不锈钢外壳的聚四氟乙烯反应釜内衬中，200℃条件下反应24h，然后在8000rpm的转速条件下离心3min，洗涤，60℃条件下干燥12h，得到比表面积为15.3m2/g的Co2TiO4纳米材料。对对比例1制得的材料进行扫描电镜表征，如图5所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，制备钴源–乙二胺前驱体：将钴源溶解在乙二胺溶液中，获得钴源–乙二胺前驱体；/nS2，制备钛源–丙三醇前驱体：将钛源溶解在丙三醇的水溶液中，获得钛源–丙三醇前驱体；/nS3，将步骤S1的钴源–乙二胺前驱体和步骤S2的钛源–丙三醇前驱体加入到碱溶液中，混合均匀后在180～220℃下反应12～48h，反应结束后离心、洗涤、干燥，即得到三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制备钴源–乙二胺前驱体：将钴源溶解在乙二胺溶液中，获得钴源–乙二胺前驱体；
S2，制备钛源–丙三醇前驱体：将钛源溶解在丙三醇的水溶液中，获得钛源–丙三醇前驱体；
S3，将步骤S1的钴源–乙二胺前驱体和步骤S2的钛源–丙三醇前驱体加入到碱溶液中，混合均匀后在180～220℃下反应12～48h，反应结束后离心、洗涤、干燥，即得到三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料。


2.根据权利要求1所述的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中使用的钴源为CoCl2·6H2O、CoC2O4·4H2O或Co(NO3)2·6H2O中的任一种；钴源与乙二胺的物质的量比为1:100。


3.根据权利要求1所述的三维多级花状钴钛尖晶石纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中使用的钛源为钛酸四异丙酯或钛酸四丁酯...

【专利技术属性】
技术研发人员：高强，李海涛，王官帅，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42