本發(fā)明涉及一種fe3o4-tio2磁性納米片及其制備方法與應(yīng)用，屬于無機(jī)納米材料制備/納米復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

1、納米復(fù)合材料是近年來發(fā)展的一種趨勢，與單一材料相比，納米復(fù)合材料具有多種材料的功能，可以達(dá)到取長補(bǔ)短的效果。以磁性納米顆粒為載體的納米復(fù)合材料由于其優(yōu)異的磁性、制備簡單等特性引起了廣泛關(guān)注。此外，如果將這些磁性納米復(fù)合材料應(yīng)用到催化體系中，可以通過外部磁體將其從反應(yīng)體系中分離出來，不僅避免了離心等分離過程所帶來的設(shè)備成本費(fèi)用昂貴，分離時(shí)間長等問題，而且還減少了催化劑的損失，方便催化劑循環(huán)利用。

2、目前大多數(shù)研究者將光催化劑tio2與類芬頓催化劑fe3o4結(jié)合，tio2光催化材料在光照條件下產(chǎn)生的光生e-可以轉(zhuǎn)移到fe3+上，促進(jìn)了fe3+/fe2+的轉(zhuǎn)化速率，抑制了tio2中光生e--h+對的復(fù)合，產(chǎn)生更多的活性物種，催化氧化降解有機(jī)污染物。然而普通fe3o4納米顆粒存在載流子易重組、在溶液中易聚集等缺陷，嚴(yán)重影響了催化活性。近年來，二維過渡金屬氧化物由于其固有量子限制電子的特性，在電催化、電子器件和能量存儲(chǔ)方面表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。fe3o4納米片因獨(dú)特的二維納米結(jié)構(gòu)不僅具有更大的比表面積，有利于tio2納米顆粒的沉積負(fù)載，暴露出更多的活性位點(diǎn)，而且這種支撐基質(zhì)的層狀結(jié)構(gòu)可以有效的抑制納米顆粒的團(tuán)聚，除此之外，還具有更快的電子轉(zhuǎn)移速率，為開發(fā)新型高效的催化劑提供了巨大的機(jī)會(huì)。

3、目前制備fe3o4-tio2納米復(fù)合材料的方法主要包括沉淀法、溶膠-凝膠法和溶劑熱/水熱法等。其中，沉淀法是將合適的沉淀劑加入到可溶性鹽溶液中，在一定溫度下水解，析出不溶性的沉淀物，經(jīng)洗滌、烘干、煅燒，得到所需納米粒子的方法，該方法法雖然原料來源廣泛，不涉及高溫、高壓，成本低，為大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，但是該方法所制備的樣品易團(tuán)聚，分散性差，形貌難以控制，因而還存在進(jìn)一步的優(yōu)化空間。溶膠-凝膠法指的是用金屬醇鹽作為前驅(qū)體，經(jīng)過水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的溶膠體系，經(jīng)過陳化反應(yīng)，形成凝膠，凝膠經(jīng)過干燥燒結(jié)固化制備產(chǎn)物的一種方法，與其他方法相比，溶膠-凝膠法在形成凝膠時(shí)，可以在很短時(shí)間內(nèi)就獲得分子水平的均勻性，并且反應(yīng)條件溫和，制備簡單，具有廣闊的應(yīng)用前景。溶劑熱/水熱法是指在密閉的高壓反應(yīng)釜中，以非水/水介質(zhì)為溶劑，在一定的溫度和溶液的自生壓力下，原始混合物發(fā)生反應(yīng)的一種合成方法，該方法所制備的樣品分散性好，結(jié)晶性好，能提高對廢水中有機(jī)污染物的催化降解效率。因此，采用合適的方法制備出磁性、光催化性能優(yōu)異的fe3o4-tio2納米片成為目前的研究重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種fe3o4-tio2磁性納米片，本發(fā)明采用溶膠-凝膠法和溶劑熱法相結(jié)合制備得到不同tio2負(fù)載率的fe3o4-tio2納米片，用于催化降解染料廢水；fe3o4納米片獨(dú)特的二維納米結(jié)構(gòu)使得其與tio2納米顆粒具有更好的相互作用，促進(jìn)了tio2中光生電子有效地將fe3+還原為fe2+，提高了fe3+/fe2+的轉(zhuǎn)化效率和tio2的光催化活性。

2、在本發(fā)明fe3o4-tio2磁性納米片的催化下的光催化與類芬頓反應(yīng)的有效相結(jié)合，不僅使得fe3o4-tio2納米片具有優(yōu)異的催化降解效率而且賦予其良好的循環(huán)利用性和穩(wěn)定性。本發(fā)明fe3o4-tio2納米片不僅實(shí)現(xiàn)了rhb染料廢水的高效降解，而且可以實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)使用，顯著降低成本，為其實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3、本發(fā)明提供的fe3o4-tio2磁性納米片的制備方法，包括如下步驟：

4、s1、將氨水加入至fe3o4磁性納米片的分散液中；

5、s2、將鈦酸丁酯(tbot)的溶液滴加至步驟s1得到的溶液中，進(jìn)行反應(yīng)；

6、s3、將步驟s2得到的產(chǎn)物分散后，加入氨水，然后置于反應(yīng)釜中進(jìn)行熱處理，即得fe3o4-tio2磁性納米片。

7、上述的制備方法中，步驟s1中，采用乙醇與乙腈的混合液配制所述fe3o4磁性納米片的分散液；

8、所述分散液中，所述fe3o4磁性納米片的質(zhì)量-體積濃度為0～2mg/ml，優(yōu)選1mg/ml；

9、所述氨水的質(zhì)量濃度為25～28％；

10、所述氨水與所述分散液的體積比為0.25～1:100，優(yōu)選0.5：100。

11、上述的制備方法中，步驟s2中，采用乙醇與乙腈的混合液配制所述鈦酸丁酯的溶液；

12、采用注射器將所述鈦酸丁酯的溶液滴加至所述溶液中；

13、所述鈦酸丁酯的用量為：0.25～1.25ml/100mgfe3o4磁性納米片，優(yōu)選為0.75ml/100mgfe3o4磁性納米片。

14、所述反應(yīng)的溫度為常溫，時(shí)間為1～4h，優(yōu)選2h。

15、上述的制備方法中，步驟s3中，步驟s2得到的產(chǎn)物分散在乙醇和水的混合液中，在超聲條件下加入所述氨水，繼續(xù)超聲10～25min后再轉(zhuǎn)移至所述反應(yīng)釜中。

16、上述的制備方法中，步驟s3中，所述熱處理的溫度為120～180℃，時(shí)間為20～26h。

17、上述的制備方法中，步驟s3中，采用磁鐵分離的方式從所述熱處理后的體系中分離得到所述fe3o4-tio2磁性納米片，然后采用去離子水和無水乙醇洗滌數(shù)次，再置于冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥。

18、本發(fā)明基于fe3o4-tio2磁性納米片構(gòu)建了一種光催化協(xié)同類芬頓反應(yīng)體系，能夠應(yīng)用于催化降解染料廢水，如rhb染料廢水等。

19、本發(fā)明提供的fe3o4-tio2磁性納米片，tio2與fe3o4之間通過化學(xué)鍵緊密連接，界面結(jié)構(gòu)可以誘導(dǎo)納米片產(chǎn)生更多的活性位點(diǎn)，從而提高其催化性能。

20、本發(fā)明通過在催化劑tio2中引入fe3o4后，ti-o-fe鍵的存在改變了光生載流子的轉(zhuǎn)移路徑，抑制了光生e--h+的復(fù)合，從而使得催化劑的催化活性得到提高。

21、在外加磁場作用下，本發(fā)明fe3o4-tio2磁性納米片可以快速地從分散的溶液中分離出來，表明其具有足夠的磁性。本發(fā)明fe3o4-tio2磁性納米片具有良好的可重復(fù)利用性。

22、本發(fā)明fe3o4-tio2磁性納米片克服了傳統(tǒng)fe3o4納米顆粒的局限性，具有制備簡單、可重復(fù)利用、催化降解效率高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明fe3o4-tio2磁性納米片獨(dú)特的二維納米結(jié)構(gòu)使得其與tio2納米顆粒具有更好的相互作用，促進(jìn)了tio2中光生電子有效地將fe3+還原為fe2+，抑制了光生電子-空穴對的復(fù)合，提高了催化劑的催化活性。基于本發(fā)明fe3o4-tio2磁性納米片的光催化和類芬頓反應(yīng)的協(xié)同作用可以顯著提高rhb染料的降解效率。基于本發(fā)明fe3o4-tio2磁性納米片良好的磁性以及高催化活性，其具有優(yōu)異的循環(huán)利用性和穩(wěn)定性，經(jīng)過5次循環(huán)后，該體系光催化降解率及回收率仍超過90％。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對rhb等染料廢水的高效、快速和低成本降解，為廢水催化降解材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了新的研究思路。

技術(shù)特征：

1.一種fe3o4-tio2磁性納米片的制備方法，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟s1中，采用乙醇與乙腈的混合液配制所述fe3o4磁性納米片的分散液；

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于：步驟s2中，采用乙醇與乙腈的混合液配制所述鈦酸丁酯的溶液；

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于：步驟s3中，步驟s2得到的產(chǎn)物分散在乙醇和水的混合液中，在超聲條件下加入所述氨水，繼續(xù)超聲10～25min后再轉(zhuǎn)移至所述反應(yīng)釜中。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于：步驟s3中，所述熱處理的溫度為120～180℃，時(shí)間為20～26h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于：步驟s3中，采用磁鐵分離的方式從所述熱處理后的體系中分離得到所述fe3o4-tio2磁性納米片。

7.權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述方法制備的fe3o4-tio2磁性納米片。

8.權(quán)利要求7所述fe3o4-tio2磁性納米片作為催化劑在光催化協(xié)同類芬頓反應(yīng)處理染料廢水中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種Fe3O4?TiO2磁性納米片及其制備方法與應(yīng)用。所述磁性納米片的制備方法包括如下步驟：S1、將氨水加入至Fe3O4磁性納米片的分散液中；S2、將鈦酸丁酯的溶液滴加至步驟S1得到的溶液中，進(jìn)行反應(yīng)；S3、將步驟S2得到的產(chǎn)物分散后，加入氨水，然后置于反應(yīng)釜中進(jìn)行熱處理即得。基于本發(fā)明Fe3O4?TiO2磁性納米片良好的磁性以及高催化活性，其具有優(yōu)異的循環(huán)利用性和穩(wěn)定性，經(jīng)過5次循環(huán)后，該體系光催化降解率及回收率仍超過90％。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對RhB等染料廢水的高效、快速和低成本降解，為廢水催化降解材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了新的研究思路。

技術(shù)研發(fā)人員：楊子浩,李媛媛,張風(fēng)帆,林梅欽,張娟,董朝霞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國石油大學(xué)（北京）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10