本發(fā)明屬于光催化材料技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

光催化技術(shù)是一種環(huán)境友好型技術(shù)，光催化材料能夠利用太陽(yáng)光分解水制氫獲得可再生能源，此外還可以應(yīng)用于環(huán)境凈化，解決人類發(fā)展所面臨的能量與環(huán)境問(wèn)題。二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N半導(dǎo)體光催化劑，具有無(wú)毒、廉價(jià)、無(wú)二次污染的優(yōu)點(diǎn)，其在環(huán)境污染降解、光分解水制氫等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

ZnFe₂O₄是一種穩(wěn)定的尖晶石材料，具有相對(duì)較小的帶隙和穩(wěn)定的光化學(xué)特性，在顏料、磁性材料、光化學(xué)分解水制氫和鋰離子電池的陽(yáng)極材料等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，而且ZnFe₂O₄還是可見光降解有機(jī)污染物的高效光催化劑。在已有的優(yōu)勢(shì)上如何進(jìn)一步提高其光催化效率成為人們研究的重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑的制備方法，此制備方法簡(jiǎn)單、方便、低成本、條件溫和、有利于大規(guī)模制備。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑，制備方法包括如下步驟：

1)Fe₂O₃球制備：向二甲基甲酰胺溶液中加入硝酸鐵，磁力攪拌下，加酸調(diào)節(jié)溶液的pH值為2-3，繼續(xù)攪拌，將所得溶液放入馬弗爐中，于100-150℃下反應(yīng)10-15h，產(chǎn)物經(jīng)離心、清洗、烘干得到Fe₂O₃球；

2)ZnFe₂O₄的制備：將硝酸鐵用去離子水溶解，加入ZnCl₂攪拌至溶解，再加入NaOH攪拌至溶解；將所得溶液放入馬弗爐中，于150-200℃下反應(yīng)15-20h，產(chǎn)物經(jīng)離心、清洗、烘干得到ZnFe₂O₄；

3)Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑：將Fe₂O₃球和ZnFe₂O₄混合后，加入有機(jī)溶劑進(jìn)行超聲分散，于65-75℃下烘干，將得到的固體粉末放在真空爐中焙燒，得到Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑，所述的二甲基甲酰胺溶液的體積百分濃度為60-70％。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑，所述的酸為硝酸。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑，步驟2)中，按摩爾比，硝酸鐵:ZnCl₂＝1.5-2.5:1。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑，步驟3)中，按摩爾比，F(xiàn)e₂O₃球:ZnFe₂O₄＝1:1。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑，步驟3)中，所述的有機(jī)溶劑是乙醇或甲醇。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑，步驟3)中，于真空爐中，溫度為180-200℃下，焙燒2-3h。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑在降解有機(jī)污染物中的應(yīng)用。方法如下：在可見光照射下，向含有有機(jī)污染物的容器中加入上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑，即可將有機(jī)物進(jìn)行降解。

本發(fā)明具有以下有益效果：

Fe₂O₃是一種非金屬N型半導(dǎo)體，由于其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱學(xué)穩(wěn)定性以及光電特性而受到人們的廣泛關(guān)注，其禁帶寬度為2.1eV，可以吸收波長(zhǎng)小于600nm的可見光，但是其光生電子-空穴易復(fù)合，量子效率低。為了拓寬Fe₂O₃的光譜響應(yīng)范圍，本發(fā)明將Fe₂O₃和與其能級(jí)匹配的ZnFe₂O₄相復(fù)合，利用兩種半導(dǎo)體之間的能級(jí)差能使光生載流子由一種半導(dǎo)體微粒的能級(jí)注入到另一種半導(dǎo)體的能級(jí)上，使光生電子-空穴有效分離，提高兩種半導(dǎo)體光量子效率。

Fe₂O₃和ZnFe₂O₄受光照射之后產(chǎn)生電子和空穴，ZnFe₂O₄產(chǎn)生的電子注入到Fe₂O₃的導(dǎo)帶，而Fe₂O₃的價(jià)帶中的空穴注入到ZnFe₂O₄的價(jià)帶，從而促進(jìn)了光生電子與空穴的分離，提高了光催化效果。除此之外，還可以利用ZnFe₂O₄的磁力效應(yīng)進(jìn)行有效的回收再利用，可以應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1中獲得的Fe₂O₃球的XRD圖。

圖2為實(shí)施例1中獲得的ZnFe₂O₄的XRD圖。

圖3為實(shí)施例1中獲得的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑的XRD圖。

圖4為實(shí)施例1中獲得的Fe₂O₃球的SEM圖。

圖5為實(shí)施例1中獲得的ZnFe₂O₄的SEM圖。

圖6為實(shí)施例1中獲得的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑的SEM圖。

圖7為Fe₂O₃、ZnFe₂O₄和Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑在光催化降解異丙醇?xì)怏w的活性對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑

(一)Fe₂O₃球的制備：

1)分別量取10ml去離子水和20ml二甲基甲酰胺，倒入帶有磁力轉(zhuǎn)子的50ml燒杯中，磁力攪拌20min至溶液溶解均勻，得到二甲基甲酰胺溶液。

2)向二甲基甲酰胺溶液中加入5g九水硝酸鐵，磁力攪拌30min。然后，向溶液中逐滴加入硝酸溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH值到2，再磁力攪拌30min。

3)將步驟2)得到的溶液倒入50ml水熱釜中，在120℃的馬弗爐中高溫反應(yīng)10h(升溫速率為3℃/min)。

4)水熱反應(yīng)完成之后，離心，用去離子水清洗3次，在70℃的烘箱中烘干，干燥之后研磨得到相貌規(guī)則的Fe₂O₃球。

將得到的Fe₂O₃球進(jìn)行XRD測(cè)試，結(jié)果如圖1所示，從圖中可以看出樣品具有較好的結(jié)晶度；再將Fe₂O₃球進(jìn)行SEM測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出樣品為球形。

(二)ZnFe₂O₄的制備：

1)將4.04g(0.01mol)的九水硝酸鐵加入30ml去離子水溶液中，磁力攪拌30min至溶解均勻。

2)向步驟1)得到的溶液中加入0.68g(0.005mol)ZnCl₂，磁力攪拌至溶解均勻，再加入4.40g(0.110mol)NaOH，磁力攪拌至溶解均勻，然后大力攪拌2h直到溶液溶解完全均勻。

3)將步驟2)得到的溶液轉(zhuǎn)移到50ml反應(yīng)釜中，放入馬弗爐中，于180℃下反應(yīng)17小時(shí)(升溫速率為3℃/min)。

4)水熱反應(yīng)完成之后，離心，用去離子水清洗3次，在70℃的烘箱中烘干，干燥之后研磨得到介孔ZnFe₂O₄。

將得到的樣品ZnFe₂O₄進(jìn)行XRD測(cè)試，結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出樣品具有較好的結(jié)晶度；將得到的樣品ZnFe₂O₄進(jìn)行SEM測(cè)試，結(jié)果如圖5所示，由圖5可看出樣品為介孔，顆粒大小不等，并沒有規(guī)則的形貌。

(三)Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑的制備

1)按摩爾比1:1，取步驟1)制備的Fe₂O₃球和步驟2)制備的ZnFe₂O₄，加入到帶有轉(zhuǎn)子的燒杯中，加入乙醇溶液進(jìn)行超聲分散約120min。

2)待Fe₂O₃球和ZnFe₂O₄完全分散后，轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿中，在70℃烘箱中烘干。

3)將步驟2)得到的固體粉末在200℃的真空爐中焙燒2h(升溫速率5℃/min)。最終得到Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑。

將得到的樣品Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑進(jìn)行XRD測(cè)試，結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出樣品具有較好的結(jié)晶度。將得到的樣品Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑進(jìn)行SEM測(cè)試，結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出Fe₂O₃和ZnFe₂O₄復(fù)合到了一起。

實(shí)施例2 Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑的應(yīng)用

分別將實(shí)施例1制備的Fe₂O₃球、ZnFe₂O₄和Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑進(jìn)行光催化劑材料性能測(cè)試。

測(cè)試過(guò)程為：分別將實(shí)施例1制備的Fe₂O₃球、ZnFe₂O₄和Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑放于不同的4cm²玻璃槽中，將載有光催化劑的玻璃槽分別放入內(nèi)含一個(gè)大氣壓空氣的224ml反應(yīng)器中，以300W氙燈為光源，光電流調(diào)節(jié)到20mA位置，調(diào)節(jié)光強(qiáng)中心正照射到樣品表面，固定好位置，最后向反應(yīng)器中注入10ul異丙醇液體，光照30min之后，抽取第一針，這樣每隔30分鐘抽取一針，進(jìn)行測(cè)試，記錄異丙醇的峰面積，結(jié)果如圖7所示。

如圖7所示，從圖中可以看出在150min之內(nèi)，F(xiàn)e₂O₃降解了50％的異丙醇?xì)怏w，ZnFe₂O₄降解了60％的異丙醇?xì)怏w，F(xiàn)e₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑降解了80％的異丙醇?xì)怏w，從而可以看出Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復(fù)合光催化劑的光催化活性比Fe₂O₃和ZnFe₂O₄的要高。