[發明專利]一種四元多功能磁性納米復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710904838.7
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107552082A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 陳衛;耿楠楠;許航;葉挺
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30;C02F1/28;C02F1/32;C02F101/34
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司32224
• 代理人: 嚴曉彪,董建林

技術領域

本發明涉及一種納米復合材料，具體涉及一種四元多功能磁性納米復合材料及其制備方法。

背景技術

光催化氧化法相比于傳統氧化法，以無毒、無污染、成本低、效率高、不產生二次污染等特點受到廣泛關注，而二氧化鈦光催化劑近年來一直是研究的熱點。

在能量不小于帶隙能(銳鈦礦為3.2ev)的光照下，二氧化鈦被激發產生光生電子，電子從價帶轉移到導帶，同時價帶上產生相應空穴。光生電子和空穴與表面的水和氧氣等結合生成強氧化性的羥基自由基和超氧自由基等，能將大部分有機物完全礦化成CO₂，H₂O和無機成分，效率高，不產生二次污染。

盡管二氧化鈦作為光催化劑具有很多優勢，但也存在一些不足。一方面較寬的帶隙能使其只能被不大于365nm的紫外光激發，這就相當于只有3％-5％的太陽光能被有效利用；另一方面，較低的量子效率使電子-空穴對極易復合，研究表明大約90％的電子-空穴對在分離之后以較快的速度重新組合，這大大限制了二氧化鈦的大規模應用。

目前，針對以上問題已有了大量關于二氧化鈦改性的報導，其中氮和石墨烯的摻雜是一種有效的減小禁帶寬度、提高量子效率的方法，但目前大部分N/TiO₂/GO光催化劑是粉末狀的，在溶液中懸浮分散，不易回收，容易流失。雖然有很多負載材料能夠部分解決上述問題，但大部分負載材料對光催化劑的光催化性能有不良影響。

發明內容

為解決現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種具有強吸附性能、高催化性能、高回收性能并具有可見光催化活性的四元多功能磁性納米復合材料及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種四元多功能磁性納米復合材料，包括一定質量組份的納米二氧化鈦、尿素、石墨烯和四氧化三鐵。

上述納米二氧化鈦為粉末狀、尿素為顆粒狀、石墨烯為單層片狀，四氧化三鐵為粉末狀。

上述石墨烯與二氧化鈦的質量比為1：18-20。

上述的一種四元多功能磁性納米復合材料的制備方法，包括以下步驟：

S1、取一定量的石墨烯溶于去離子水中，超聲分散，制得分散液；

S2、按質量比取一定量的納米二氧化鈦和尿素、四氧化三鐵，同時加入上述分散液中，超聲混合均勻，制得混合液；

S3、上述混合液轉移至高壓反應釜中，于真空、干燥環境下反應一段時間；

S4、離心上述反應后的混合液，洗滌沉淀物；重復離心、洗滌若干次后，去除未反應物質，主要是多余的尿素；

S5、導出最后一次離心得到的沉淀物，恒溫干燥后，研磨成粉末，制得灰黑色粉末狀N-TiO₂-GO/Fe₃O₄復合光催化材料。

上述步驟S1中的石墨烯為0.05g，去離子水為100-150ml，超聲分散時間為30min。

上述步驟2中的二氧化鈦為0.95g，尿素為6-8g，四氧化三鐵為0.2-1.0g；超聲時間為1.5-2.5h。

上述步驟S3中的高壓反應釜有聚四氟乙烯內襯，體積為150ml；反應溫度為180℃-200℃，反應時間為8-12h。

上述步驟S4中離心轉速為2000r/s，離心時間為4min；重復次數為3-5次。

上述步驟S1中的二氧化鈦為P25。

本發明的有益之處在于：

與現有其他技術相比，本發明制備的磁性光催化劑采用一步水熱法合成，原料易得，制備方法簡單易于實現；四氧化三鐵的加入使溶液中分散的光催化劑可在外加磁場下進行回收，實現了光催化劑與水的高效分離，便于光催化劑的循環利用，避免納米顆粒的流失；氮的摻雜可取代TiO₂晶格中的氧空位，形成Ti-N鍵或者Ti-O-N鍵，降低禁帶帶隙能，激發波長由紫外光區拓展到可見光區，顯著地提高其在可見光下的響應程度以及光催化效果；氮原子引入石墨烯中，可以改變石墨烯電子結構，并打開石墨烯的帶隙，從而使其具有更廣泛的應用價值；石墨烯能使激發波長紅移，其良好的電子傳輸性能減少了光生電子-空穴的復合，并且其2600m²/g的比表面積大大提高了光催化劑對有機物的吸附能力，利于后續的光催化反應；四氧化三鐵與二氧化鈦和石墨烯的復合在一定程度上減小了顆粒間的團聚，增加了復合材料的空間間隙，這些孔間隙可提供良好的電子傳輸通道，有利于電活性組分的傳輸，增大復合材料與電解液組分的接觸面，提高儲存電荷的能力。