一种基于纳米复合Fe3O4/g-C3N4光磁耦合系统降解水污染物的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于纳米复合Fe3O4/g

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统降解水污染物的方法


[0001]本专利技术涉及一种基于纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统降解水污染物的方法，属于水污染控制


技术介绍

[0002]半导体光催化是基于固体能带理论发展起来的，囊括了半导体物理、材料化学、催化化学和光电化学等多个交叉学科的研究领域。由于半导体光催化技术操作简便、反应条件温和、无二次污染、易于与其它环境处理技术耦合以及对设备要求低等优势，光催化技术在环境治理方面具有较大潜力。g
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C3N4作为一种新兴的可见光驱动的光催化剂，是由C和N元素经sp2杂化而成的类芳环且具有二维层状结构的半导体材料，存在C
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N和C＝N，并且键长和键角均相同。g
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C3N4高度离域化的π共轭体系赋予了其光催化性质。g
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C3N4的导带和价带的位置为
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1.3和1.4eV，禁带宽度为2.7eV，能够满足O2还原产自由基和包括分解H2O产H2、固氮和CO2还原等在内的多种能源反应的热力学要求。此外，g
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C3N4还具有可见光响应特征、稳定的化学性质、无毒性、成本低、反应易受控制、耐酸耐碱、易于结构改性等优点，已被证明是一种具有良好应用前景和应用价值的光催化剂。但是，g
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C3N4光催化剂仍具有比表面积较低、光激发e
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/h
+
对的快速复原、可见光吸收较差、光量子产率低、较难分离重复使用等缺点，大大限制了其在光催化领域的大范围使用。近年来，针对g
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C3N4所具有的这些限制因素，改善其光催化活性并解决其较难分离回收重复使用的问题，可从内外部两方面入手，一种是通过将g
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C3N4与其他助催化剂进行复合，以提高其光催化性能；另一种是通过外部施加特殊能量作用，来促进e
‑
/h
+
的分离，以提高光催化性。
[0003]目前，对g
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C3N4复合不同化合物来提高光催化活性的研究有很多，其中，将g
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C3N4与磁性Fe3O4纳米颗粒复合，不仅可以增强光催化性能，还有利于催化剂的磁回收利用。由于二者导带和价带位置的差异，g
‑
C3N4中光激发产生的电子或空穴转移至Fe3O4导带或价带中，电子空穴实现分离，复合率降低，光吸收范围扩大，从而可以更高效地利用光激发产生的活性粒子。因此，g
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C3N4与磁性Fe3O4纳米颗粒复合逐渐受到了研究者的青睐。例如，“Ecotoxicology and Environmental Safety”2020年第205卷第111
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147页“Mesoporous magnetic g
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C3N
4 nanocomposites for photocatalytic environmental remediation under visible light”一文，将g
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C3N4与磁性Fe3O4纳米颗粒进行复合，构成复合材料并用于对染料罗丹明B的降解，结果表明，复合材料的光催化活性大大提高，可见光照射4h后，罗丹明B在水中的降解率达到97.6％。该研究的主要缺点有：(1)仅选用了一种普通染料罗丹明B作为目标污染物，对环境中污染物降解实际意义低；(2)在光催化过程中需要额外添加机械搅拌条件使反应体系混合均匀，维护成本高。
[0004]此外，通过在光催化过程中施加外物理场来提高光催化活性的研究也有一些。其中，利用外加磁场可以抑制光生电子和空穴的复合，产生的洛伦兹力还可以诱导快速传质和在反应位点的离子缩合，可以提高光催化性能。外加磁场可以借助永磁体或者电磁铁来
简易实现，此过程节能且环保。因此，光磁耦合技术不仅具有重要的研究价值，还具有巨大的应用价值和广阔的发展前景。例如，“Chemical Engineering Journal”2021年第404卷第126
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972页“Enhanced photo
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induced carrier separation of CdS/MoS
2 via micro
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potentialof Mo micro sheet derived from electromagnetic induction”一文，采用一步水热法设计并合成了纳米CdS/MoS2/Mo复合光催化材料。并且，在旋转磁场中，CdS/MoS2/Mo复合材料可与磁场的相对运动形成运动电动势。这种原位磁场衍生的微电势为进一步抑制催化剂的电子和空穴复合提供了一个无线电场，因此，CdS/MoS2/Mo的光催化活性可显著增强。该研究的不足之处有：(1)此研究仅考虑了在旋转磁场下复合光催化剂的光催化析氢性能，未评价其光催化降解有机物的性能；(2)该体系采用永磁体磁场，通过外部机械力使材料旋转切割磁力线，不适用于去除水中污染物；(3)永磁体磁场强度不可调节，灵活性较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一是提供一种纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统，该系统磁感应强度灵活可变，既增强了纳米复合Fe3O4/g
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C3N4的光催化性能，又实现了无机械外力搅拌，达到光催化材料与污染物的迅速混合，纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统极大地提高了催化剂的光催化降解活性，材料便于回收，且避免了机械传动搅拌设备，节约维护成本。
[0006]本专利技术的上述目的是通过以下技术方案达到的：
[0007]一种纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统，包括光催化系统和磁场发生系统，所述光催化系统包括模拟太阳光光源、恒温反应器、升降台、低温冷却液循环泵；所述模拟太阳光源与升降台相连接，所述模拟太阳光源置于恒温反应器正上方；恒温反应器与低温冷却液循环泵相连，以确保反应器内温度恒定；所述磁场发生系统包括三相交变励磁装置、调压器、电流表；恒温反应器置于三相交变励磁装置内部，三相交变励磁装置与调压器相连。
[0008]优选地，所述调压器接380V三相电源。
[0009]优选地，所述电流表接入三相交变励磁装置与调压器之间的一相电路，以监测电流。
[0010]优选地，所述恒温反应器通过硅胶管与低温冷却液循环泵相连。
[0011]优选地，所述三相交变励磁装置通过三相电路与调压器相连。
[0012]优选地，所述模拟太阳光光源采用泊菲莱PLS
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SXE300UV氙灯光源，总光功率为50W；光谱范围为320～780nm；光源发射角平均为6
°
，光斑直径依照射距离为30～60mm。
[0013]优选地，所述恒温反应器为定制夹套烧杯，外直径8本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统，其特征在于：包括光催化系统和磁场发生系统，所述光催化系统包括模拟太阳光光源、恒温反应器、升降台、低温冷却液循环泵；模拟太阳光源与升降台相连接，置于恒温反应器正上方；恒温反应器与低温冷却液循环泵相连；所述磁场发生系统包括三相交变励磁装置、调压器、电流表；恒温反应器置于三相交变励磁装置内部，三相交变励磁装置通过三相电路与调压器相连。2.如权利要求1所述的纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统，其特征在于：所述调压器接380V三相电源。3.如权利要求1所述的纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统，其特征在于：所述电流表接入三相交变励磁装置与调压器之间的一相电路，以监测电流。4.如权利要求1所述的纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统，其特征在于：所述恒温反应器通过硅胶管与低温冷却液循环泵相连。5.如权利要求1所述的纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统，其特征在于：所述三相交变励磁装置通过三相电路与调压器相连。6.如权利要求1所述的纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统，其特征在于：所述模拟太阳光光源采用泊菲莱PLS
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SXE300UV氙灯光源，总光功率为50W；光谱范围为320～780nm；光源发射角平均为6
°
，光斑直径依照射距离为30～60mm。7.如权利要求1所述的纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统，其特征在于：所述恒温反应器为定制夹套烧杯，外直径85mm，内直径60mm，内高度150mm，进出水嘴相对，均位于烧杯上部。8.一种基于纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光磁耦合系统降解水污染物的方法，具体步骤如下：(1)、光磁耦合系统的构建1)光催化系统的构建光催化系统主要包括模拟太阳光光源、恒温反应器、升降台、低温冷却液循环泵；模拟太阳光源与升降台相连接，置于恒温反应器正上方；恒温反应器通过硅胶管与低温冷却循环系统相连；2)磁场发生系统的构建外加磁场为旋转交变磁场，采用三相交流电激励，包括三相交变励磁装置和调压器，通过调压器向励磁线圈输入频率为50Hz的电流，并调节电流大小，从而调节磁场发生系统产生的磁场强度；3)光催化剂的制备
①
g
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C3N4的制备；
②
Fe3O4/g
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C3N4纳米复合材料的制备；(2)、纳米复合Fe3O4/g
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C3N4光...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁宁，张建新，刘琨，刘亚宁，
申请(专利权)人：北京工商大学，
类型：发明
国别省市：