氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光催化復(fù)合材料的制備方法及其 應(yīng)用，具體涉及一種氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，有機染料的大量應(yīng)用，產(chǎn)生的大量含有毒性的工業(yè)廢水，未經(jīng)妥善處理直接 排入水體將會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響。而且部分染料還具有潛在的致癌性，進入食物鏈 后會直接危害人畜健康。傳統(tǒng)上，物理-化學(xué)方法、電化學(xué)法，生物法等被用來進行染料廢 水的處理。但是具有去除效率低，造成二次污染，費用高的缺點?？紤]到環(huán)境效益，用可見 光降解染料作為一種綠色技術(shù)引起了越來越高的重視。
[0003] 近年來，半導(dǎo)體光催化材料在環(huán)境、材料、能源等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但大部 分半導(dǎo)體都存在以下兩個問題：1)禁帶太寬，對可見光響應(yīng)差；2)對可見光響應(yīng)好，但是光 生電子-空穴易復(fù)合。這兩種原因都導(dǎo)致半導(dǎo)體光催效率較差。為了提高太陽能的利用 效率，光催化材料必須具備兩大條件：合適的可以很好的響應(yīng)太陽光的帶隙以及較低的電 子-空穴復(fù)合率。Fe203是一種η型半導(dǎo)體，帶隙為2. 2eV，其在可見光下具有足夠的穩(wěn)定性 和吸收能力，被廣泛用作電化學(xué)電極，光催化劑，和氣體傳感器材料。
[0004] BiOBr，一種新型可見光催化劑，但是單純的氧化鐵與BiOBr的光生電子和空穴容 易復(fù)合以及對可見光的吸收效率低等問題，這不利于提高復(fù)合物的光催化性能。迄今為止， 一步水熱法合成氧化鐵/溴氧化鉍（Fe203/Bi0Br)復(fù)合材料尚未被報道，因此，開發(fā)和提供 一種制備工藝簡單、性能優(yōu)良的Fe203/Bi0Br復(fù)合材料非常必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種成本低、易 操作且綠色環(huán)保，具有優(yōu)越的光催化性能的氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料。
[0006] 本發(fā)明的另一目的在于提供了一種制備工藝簡單、成本低、具有很好的環(huán)保效益 的氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料的制備方法。
[0007] 本發(fā)明的再一目的在于提供上述氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料在降解染料廢水中 的應(yīng)用。
[0008] 本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0009] -種氧化鐵/溴氧化鉍（Fe203/Bi0Br)復(fù)合材料，所述氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料 包括氧化鐵（Fe203)納米簇和溴氧化祕（BiOBr)納米片，所述氧化鐵納米簇沉積于所述溴氧 化鉍納米片表面構(gòu)成復(fù)合材料。
[0010] 上述的氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料中，氧化鐵與溴氧化鉍的摩爾比優(yōu)選為0. 05~ 0. 20〇
[0011] 作為本發(fā)明的同一技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料的 制備方法，包括以下步驟：
[0012] (1)加入堿溶液至硝酸鐵溶液中混合，得到氫氧化鐵膠體溶液；
[0013] (2)加入KBr溶液至硝酸鉍溶液中混合，得到混合溶液；
[0014] (3)將步驟（1)制得的氫氧化鐵膠體溶液加入到步驟（2)制得的混合溶液中，水熱 反應(yīng)，得到氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料。
[0015] 步驟⑶中所述水熱反應(yīng)的溫度優(yōu)選為150~180°C，更優(yōu)選為160°C;時間優(yōu)選 為8~12h，更優(yōu)選為10h。
[0016] 步驟（1)中所述氫氧化鐵膠體溶液、步驟（2)所述硝酸鉍溶液和步驟（2)所述KBr 溶液的體積比優(yōu)選為〇~20 : 25 : 10,更優(yōu)選為5~20:25:10。
[0017] 步驟⑴中所述氫氧化鐵膠體的質(zhì)量濃度優(yōu)選為0.107g/mL;步驟⑵中所述硝 酸鉍溶液的質(zhì)量濃度優(yōu)選為0. 080~0. 095g/mL;步驟（2)中所述KBr溶液的質(zhì)量濃度優(yōu) 選為(λ02~(λ03g/mL。
[0018] 步驟（1)中所述堿液優(yōu)選為氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液，所述堿液的濃度優(yōu)選 為1. 2mol/L;步驟⑵中所述混合溶液的pH值優(yōu)選為1~2。
[0019] 作為本發(fā)明的同一技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了上述氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料在 降解染料廢水中的應(yīng)用。
[0020] 所述應(yīng)用包括以下步驟：將所述氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料添加到染料廢水中進 行光催化反應(yīng)，完成對染料廢水的降解；所述氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料的添加量優(yōu)選為 50~lOOmg/lOOmL;所述光催化反應(yīng)的時間優(yōu)選為0. 5~lh。
[0021] 所述染料廢水優(yōu)選為羅丹明B染料廢水。
[0022] 所述染料廢水的濃度優(yōu)選為15~30mg/L。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：
[0024] (1)本發(fā)明的氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料，包括氧化鐵（a-Fe203)和溴氧化鉍 (BiOBr)納米片，其中氧化鐵顆粒粒徑較小，沉積在溴氧化祕納米片表面，與溴氧化祕納米 片結(jié)合牢固。因此與其進行復(fù)合來改善BiOBr的光催化性能被認為是一個很好的策略。溴 氧化鉍（BiOBr)納米片，具有一定的可見光吸收能力，但光電轉(zhuǎn)換效率較差，本發(fā)明通過將 氧化鐵和溴氧化鉍半導(dǎo)體構(gòu)建異質(zhì)結(jié)材料，不僅能有效的降低光生電子和空穴的復(fù)合，而 且不同性質(zhì)的半導(dǎo)體還能產(chǎn)生協(xié)同作用，同時保持了兩者對太陽光強的響應(yīng)能力的優(yōu)良特 性。本發(fā)明的氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料，其優(yōu)勢在于有效的提高了材料的可見光吸收能 力以及光催化活性位點。本發(fā)明的氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料能夠克服單純的BiOBr材料 存在的光電轉(zhuǎn)化效率低的問題，同時也能夠克服單純的氧化鐵材料存在的光生電子和空穴 容易復(fù)合等問題，具有優(yōu)越的光催化性能。
[0025] (2)本發(fā)明氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料中，隨著氧化鐵含量的增加，有效增加了可 見光下的吸收強度，降低了光生電子-空穴的復(fù)合速率，光催化性能明顯提高，但是當(dāng)加入 的氧化鐵過量時，過量的氧化鐵將使得產(chǎn)生的電子空穴易結(jié)合，反而會降低光催化的性能。 相比較而言，單純的BiOBr在40min內(nèi)降解羅丹明B的效率為52%，而加入氧化鐵后，降解 效率高達95%。
[0026] (3)本發(fā)明首次采用水熱法合成a-Fe203/Bi0Br復(fù)合材料，其反應(yīng)條件容易控制、 操作方法簡單，且制備過程中沒有使用任何有機溶劑，具有很好的環(huán)保效益。
[0027] (4)本發(fā)明的制備方法中，通過有效控制Fe(0H)3膠體溶液的加入量，使混合溶液 的pH值為1~2,確保生成BiOBr。
[0028] (5)本發(fā)明的氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料在可見光下具有很好的光催化性能，可 廣泛用于光降解染料廢水領(lǐng)域，特別適用于光降解羅丹明B染料廢水，具有成本低、工藝簡 單、操作便捷、催化效率高且綠色環(huán)保等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明實施例2中l(wèi)OFe/lOOBi材料復(fù)合材料的XRD衍射圖譜。
[0030] 圖2為本發(fā)明實施例2中10Fe/100Bi材料復(fù)合材料的SEM圖。
[0031] 圖3為本發(fā)明實施例2中l(wèi)OFe/lOOBi材料復(fù)合材料的紫外-可見漫反射吸收光 譜圖。
[0032] 圖4為本發(fā)明中光催化降解羅丹明B染料廢水的降解原理圖。
[0033] 圖5為本發(fā)明實施例1-4中的氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料光催化降解羅丹明B溶 液對應(yīng)的時間-降解效率的關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
[0035] 以下實施例中所采用的材料和儀器均為市售。
[0036] 實施例1
[0037] -種氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
[0038] (1)稱取0· 48g的氫氧化鈉溶于10mL的水中配成濃度為1. 2mol/L的氫氧化鈉溶 液，稱取1. 616g的九水合硝酸鐵溶于90mL的水中制得硝酸鐵溶液；然后將10mL1. 2mol/L 的氫氧化鈉溶液加入硝酸鐵溶液中，得到〇. 〇4mol/L氫氧化鐵膠體溶液。
[0039] (2)稱取0. 97g的五水合硝酸鉍分散在25mL水中制得硝酸鉍溶液，稱取 0. 238gKBr溶于10mL水中制得KBr溶液；然后將lOmLKBr溶液加入到硝酸鉍溶液中，攪拌 半個小時，得到混合溶液，該混合溶液的pH值為1~2。
[0040] (3)將5mL步驟⑴中的氫氧化鐵膠體溶液加入到步驟⑵中得到的混合溶液中， 混合均勻后轉(zhuǎn)移至50mL的高壓反應(yīng)釜中進行水熱反應(yīng)，在160°C下反應(yīng)10h;反應(yīng)完成后取 出自然冷卻到室溫，用去離子水清洗3次，于烘箱中60°C干燥，制得氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合 材料，編號為5Fe/100Bi，復(fù)合材料中氧化鐵與溴氧化鉍摩爾比為0. 05,氧化鐵納米簇沉積 于溴氧化鉍納米片球體表面。
[0041] 實施例2
[0042] -種氧化鐵/溴氧化鉍復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
[0043] (1)稱取0. 48g的氫氧化鈉溶于10mL的水中配成濃度為1. 2mol/L的氫氧化鈉溶 液，稱取1. 616g的九水合硝酸鐵溶于90mL的水中制得硝酸鐵溶液；然后將10mL1. 2mol/L 的氫氧化鈉溶液加入硝酸鐵溶液中，得到〇. 〇4mol/L氫氧化鐵膠體溶液。
[0044] (2)稱取0. 97g的五水合硝酸鉍分散在25mL水中制得硝酸鉍溶液，稱取0. 238g KBr溶于10mL水中制得KBr溶液；然后將10mLKBr溶液加入到硝酸鉍溶液中，攪拌半個小 時，得到混合溶液，該混合溶液的pH值為1~2。
[0045] (3)將lOmL步驟⑴中的氫氧化鐵膠體溶液加入到步驟⑵中得到的混合溶液 中，混合均勻后轉(zhuǎn)移至50mL的高壓反應(yīng)釜中進行水熱反應(yīng)，在160°C下反應(yīng)10h;反應(yīng)完成 后取出自然冷卻到室溫，用去離子水清洗3次，于烘箱中60°C干燥，制得氧化鐵/溴氧化鉍 復(fù)合材料，編號為lOFe/lOOBi，復(fù)合材料中氧化鐵與溴氧化鉍摩爾比為0. 10,氧化鐵納米 簇沉積于溴氧化鉍納米片