一种CF/Fe2O3/ZrO2复合可见光催化剂及其制备方法与流程

一种cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂及其制备方法
技术领域
1.本发明属于光催化剂技术领域，特别涉及一种cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂及其制备方法。


背景技术：

2.水体环境中的抗生素问题是人类面临新的健康危害。光催化技术是一种能够有效利用太阳能，并将太阳能转化为化学能的新技术。光催化技术能够将环境中的有机污染物转换为友好、无污染的co2和h2o，不会对环境产生二次污染，从而解决环境污染问题。光催化技术作为一种能够有效解决环境污染的手段，成为越来越多研究者关注的重点。
3.目前，国内研究最多的半导体光催化材料主要是金属氧化物和硫化物，其中最具代表性的是tio2及其改性得到的复合光催化剂。但是，tio2光催化剂及其改性材料的制备方法较为繁琐，反应的工艺条件相对苛刻，且改性选用的原料昂贵，因此生产成本较高，不适合大规模工业化生产。
4.zro2本身具有良好稳定的光电化学性质，而且同时具有表面酸性、碱性和氧化性、还原性。zro2是一种性能优良的p型半导体材料，容易产生氧空穴，更具有光活性，同时zro2具有无毒、无污染、耐磨耐腐蚀等特点。但是zro2的禁带宽度较宽（大于3.65 ev）,只能吸收波长小于300 nm的紫外光，对近紫外和可见范围的光利用率较低。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂及其制备方法，旨在增加zro2光催化剂在可见光区域的催化活性，解决传统可见光催化剂对水体环境中的有机污染物的光催化活性低、处理周期长、处理效果不佳，以及制备方法复杂、成本高等问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂及其制备方法，包括如下步骤：（1）将碳纤维进行预处理；（2）将一定量的氧氯化锆和硫酸铁混合溶于去离子水中，搅拌溶解过程中加入适量碳纤维，得到混合溶液；（3）在超声搅拌状态下将氨水溶液或氢氧化钠溶液缓慢加入混合溶液中，产生沉淀；（4）沉淀经洗涤、烘干、研磨、高温煅烧即可得到cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂。
7.优选地，所属步骤（1）中，将一定量的碳纤维放入烧杯中，加入超纯水没过材料，放置电磁炉上400-500℃加热30-60 min。
8.进一步地，所述步骤（2）中，硫酸铁中的铁和氧氯化锆中的锆的摩尔比为（0.1-0.4）:1。
9.进一步地，所述步骤（2）中，碳纤维与氧氯化锆的质量比为（0.01-1）:1。
10.进一步地，所述步骤（3）中，加入氨水或氢氧化钠调节至其ph为8-9，沉淀超声60-150 min。
11.进一步地，所述步骤（4）中，沉淀用无水乙醇和超纯水分别洗涤2-4次。
12.进一步地，所述步骤（4）中，烘干温度为100-120℃，烘干时间为12-48 h。
13.进一步地，所述步骤（4）中，煅烧温度为400-600℃，煅烧时间为1.5-2.5 h。
14.本发明的cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂，因碳纤维和过渡金属氧化物fe2o3具有吸附性能，通过cf和fe2o3的掺杂，使制得的光催化材料对污染物具有更强的吸附能力；由于viii族金属fe的d轨道中未充满电子，能够捕获电子，同时cf具有优异的导电性，从而阻碍zro2基体光生电子和空穴的重组；fe2o3的带隙较窄，可以与宽带隙zro2形成接触良好的异质结，使复合光催化剂受长波长光子激发，拓宽复合光催化剂的光响应范围到可见光，从而使光催化材料能够在可见光下有更好的催化性能。
15.本发明的cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂的制备方法，利用超声沉淀法制备出纳米级的光催化剂。本发明的制备方法原料易得，工艺简单，操作方便，制备成本低，适合大规模工业化生产。
附图说明
16.图1为本发明实施例的cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂制备工艺流程图；图2为实施例1中所得到的cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂的sem图片；图3为实施例1中所得到的cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂的eds图片；图4为实施例1中所得到的cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂与纯zro2的紫外漫反射光谱。
17.具体实施方式
18.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.本发明实施例的光催化实验以盐酸土霉素作为模拟污染物，其浓度为10 mg/l；cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂的加入量为0.8 g/l；光源使用普通日光灯，波长在400-700 nm；光催化时间设定为120 min。
20.实施例1：（1）将一定量的碳纤维放入烧杯中，加入超纯水没过材料，放置电磁炉上450℃加热30 min。
21.（2）按照fe与zr的摩尔比为0.3:1分别称取一定质量的硫酸铁、氧氯化锆备用，将硫酸铁和氧氯化锆溶解于150ml去离子水中；按照碳纤维与氧氯化锆的质量比为0.1:1计算所需碳纤维量，边搅拌边加入碳纤维，磁力搅拌30 min。
22.（3）在超声搅拌状态下将稀释后的氢氧化钠溶液缓慢加入步骤（2）得到的混合溶液中，调节ph到8，得到沉淀后继续超声120 min。
23.（4）将步骤（3）得到的沉淀用无水乙醇和超纯水分别洗涤3次，将洗涤后的沉淀放置于鼓风干燥箱中，110℃下保温30 h；将烘干的前驱体研磨成粉末后放置于马弗炉中，450℃煅烧2 h，得到cf/fe2o3/zro2复合粉体，即cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂。
24.所制备的光催化剂，在可见光照射120 min下，对盐酸土霉素去除率达到85.83%。
25.如图2中所示，为本发明实施制备的cf/fe2o3/zro2扫描电镜图，表明碳纤维表面生长了大量均匀的fe2o3/zro2颗粒，此材料的比表面积在zro2的基础上大大增加。
26.如图3中所示，为本发明实施制备的cf/fe2o3/zro2的x射线能谱分析图，存在较明显的zr、fe、c和o峰，表明cf和fe2o3成功掺杂进入zro2中。
27.如图4中a线所示，为本发明实施制备的zro2的紫外-可见漫反射光谱，表明制备的zro2几乎不吸收可见光，只在紫外光范围内有一定的吸收能力。
28.如图4中b线所示，为本发明实施制备的cf/fe2o3/zro2的紫外-可见漫反射光谱，表明制备的cf/fe2o3/zro2漫反射光谱出现红移，在400-700 nm的可见光区有较好的光吸收。
29.实施例2：（1）将一定量的碳纤维放入烧杯中，加入超纯水没过材料，放置电磁炉上400℃加热60min。
30.（2）按照fe与zr的摩尔比为0.2:1分别称取一定质量的硫酸铁、氧氯化锆备用，将硫酸铁和氧氯化锆溶解于150ml去离子水中；按照碳纤维与氧氯化锆的质量比为0.01:1计算所需碳纤维量，边搅拌边加入碳纤维，磁力搅拌30 min。
31.（3）在超声搅拌状态下将稀释后的氨水溶液缓慢加入步骤（2）得到的混合溶液中，调节ph到8，得到沉淀后继续超声60 min。
32.（4）将步骤（3）得到的沉淀用无水乙醇和超纯水分别洗涤2次，将洗涤后的沉淀放置于鼓风干燥箱中，100℃下保温48 h；将烘干的前驱体研磨成粉末后放置于马弗炉中，400℃煅烧2.5 h，得到cf/fe2o3/zro2复合粉体，即cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂。
33.所制备的光催化剂，在可见光照射120 min下，对盐酸土霉素去除率达到85.11%。
34.实施例3：（1）将一定量的碳纤维放入烧杯中，加入超纯水没过材料，放置电磁炉上500℃加热30 min。
35.（2）按照fe与zr的摩尔比为0.4:1分别称取一定质量的硫酸铁、氧氯化锆备用，将硫酸铁和氧氯化锆溶解于150ml去离子水中；按照碳纤维与氧氯化锆的质量比为1:1计算所需碳纤维量，边搅拌边加入碳纤维，磁力搅拌30 min。
36.（3）在超声搅拌状态下将稀释后的氢氧化钠溶液缓慢加入步骤（2）得到的混合溶液中，调节ph到8，得到沉淀后继续超声150 min。
37.（4）将步骤（3）得到的沉淀用无水乙醇和超纯水分别洗涤4次，将洗涤后的沉淀放置于鼓风干燥箱中，120℃下保温24 h；将烘干的前驱体研磨成粉末后放置于马弗炉中，600℃煅烧1.5h，得到cf/fe2o3/zro2复合粉体，即cf/fe2o3/zro2复合可见光催化剂。
38.所制备的光催化剂，在可见光照射120 min下，对盐酸土霉素去除率达到85.62%。
39.上述实施例只为说明本发明的技术构思、特点和优势，其目的在于让熟悉这项技术的人能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。