一種鐵氮摻雜碳納米粒子光催化劑的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種化學(xué)及納米材料的制備方法，特別是涉及一種鐵氮摻雜碳納米粒 子光催化劑的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳納米級(jí)粒子以其優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)在生物成像、活體標(biāo)記、太陽(yáng)能、催化劑 等方面取得了廣泛應(yīng)用。因?yàn)樘技{米粒子有半導(dǎo)體材料的性質(zhì)，表面具有電子空穴，在光照 射下能夠產(chǎn)生光生電子，是電子的受體和供體，具有光催化作用。碳納米粒子作為催化劑的 研究已經(jīng)有報(bào)道，大多數(shù)是利用碳納米粒子催化降解染料污水，效率有限。為了提高效率， 豐富催化劑的品種，人們將碳納米粒子和金屬?gòu)?fù)合，形成金屬摻雜碳納米粒子以提高效率。 早期的碳納米粒子的合成方法是采用激光等手段對(duì)大塊碳材料進(jìn)行分割，使之產(chǎn)生微小 碳顆粒，再將其用表面活性劑或強(qiáng)氧化性的酸處理，使之表面產(chǎn)生活性基團(tuán)，如-C00H、-OH 等。這一過(guò)程就是鈍化，鈍化后的碳納米粒子有熒光。碳納米粒子的合成方法還可以采用 有機(jī)化合物為前驅(qū)體，加熱分解有機(jī)物并使之聚合成為碳納米粒子，控制聚合過(guò)程可以控 制碳納米粒子大小。熱分解法中被用來(lái)做前驅(qū)體的物質(zhì)一般為富含羥基、羧基、氨基的有機(jī) 物，如糖類(lèi)、多羥基羧基有機(jī)酸(檸檬酸、酒石酸、維生素 C、氨基酸等)。摻雜碳納米粒子在催 化方面具有特殊性，而制備金屬摻雜碳納米粒子也可以采用熱分解法，但就研究的結(jié)果來(lái) 看，催化效果較好的是貴金屬與碳點(diǎn)的復(fù)合物，如碳納米粒子與Pt、Au、Pd等。因此，尋找一 種廉價(jià)、無(wú)毒的金屬與碳點(diǎn)復(fù)合是今后研究工作的一個(gè)主要方向，鐵、氮摻雜碳納米粒子催 化劑目前還沒(méi)有報(bào)道。目前制備碳納米粒子光催化劑的方法存在如下缺點(diǎn)： 1、材料來(lái)源有限，合成步驟多，合成速度慢，需要大規(guī)模的設(shè)備，宏量生產(chǎn)時(shí)投資高，不 適合產(chǎn)業(yè)化要求。
[0003] 2、早期的大塊材料分割法，設(shè)備成本高，制備的碳納米粒子需要鈍化才能有良好 的熒光性。
[0004] 3、采用貴金屬、重金屬摻雜，雖然效果較好，但成本太高，而且污染環(huán)境。
[0005] 4、制備出的一些摻雜碳納米粒子難以獲得固體，熒光亮度不高，水溶性不好，不方 便長(zhǎng)期保存。
[0006] 本發(fā)明采用廉價(jià)、無(wú)毒的鐵元素為摻雜對(duì)象，合成的催化劑效率高，成本低，對(duì)染 料的光催化效果超過(guò)與貴金屬摻雜催化效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種鐵氮摻雜碳納米粒子光催化劑的制備方法，本發(fā)明以 碳源物質(zhì)和富含氨基、羧基、羥基物質(zhì)為前驅(qū)體，三氯化鐵為鐵源，直接共熱合成鐵、氮摻雜 碳納米粒子固體，材料來(lái)源廣泛，合成步驟少，合成速度快，不需要大規(guī)模的設(shè)備，投資少， 可宏量生產(chǎn)，適合產(chǎn)業(yè)化要求。
[0008] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的： 一種鐵氮摻雜碳納米粒子光催化劑的制備方法，其具體步驟為： (1)物料的混合：稱(chēng)取1.0 克碳源物質(zhì)和1.0 克富含氨基、羧基、羥基物質(zhì)混合于250毫 升燒杯中，加入〇. 1克三氯化鐵，再加少量蒸餾水溶解，得紫色溶液。
[0009] (2)鐵、氮摻雜碳納米粒子生成：將上述溶液置于恒溫干燥箱中于210°C加熱2小 時(shí)。取出燒杯自然冷卻至室溫，燒杯內(nèi)得棕黃色泡沫狀固體，此固體為鐵、氮摻雜碳納米粒 子。
[0010] 碳源物質(zhì)為維生素 C、酒石酸、蘋(píng)果酸、檸檬酸。富含氨基、羧基、羥基物質(zhì)是草酸 銨、尿素、氨基酸、乙二胺四乙酸。
[0011] (3)以光催化商業(yè)染料亞甲基藍(lán)（MB)甲基橙（M0)、羅丹明B (RB)為模擬污染物降 解模板，以碘鎢燈為光源模擬太陽(yáng)光，對(duì)催化劑光催化性能進(jìn)行評(píng)估。取1.0毫升1.0毫 克/毫升染料溶液，置于100毫升燒杯中加入20毫克所合成的催化劑，加入0. 050-1. 0毫 升30%過(guò)氧化氫，稀釋至50毫升，放入攪拌子。置于磁力攪拌器上攪拌光照。每隔一段時(shí) 間取樣在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上分析，工作波長(zhǎng)為染料最大吸收波長(zhǎng)，吸光度法檢驗(yàn)染 料的剩余濃度，降解率的計(jì)算采用下列公式：
，光降解實(shí) 驗(yàn)光的輻照度0.085瓦/厘米2。4為染料溶液起始濃度、吸光度，c、J為不同ifl寸刻 MB溶液濃度、吸光度值。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1鐵氮摻雜碳納米粒子的XRD圖譜；(對(duì)應(yīng)實(shí)施例1產(chǎn)物） 圖2 :圖2鐵氮摻雜碳納米粒子的XPS譜圖；(對(duì)應(yīng)實(shí)施例1產(chǎn)物） 圖3 :樣品溶液在不同的激發(fā)波長(zhǎng)下的熒光圖譜；(對(duì)應(yīng)實(shí)施例1產(chǎn)物） 圖4;樣品的熒光上轉(zhuǎn)換圖譜。（對(duì)應(yīng)實(shí)施例1產(chǎn)物） 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)及效果： 本發(fā)明以碳源物質(zhì)和富含氨基、羧基、羥基物質(zhì)為前驅(qū)體，三氯化鐵為鐵源，直接共熱 合成鐵、氮摻雜碳納米粒子固體。與其他方法相比具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1、材料來(lái)源廣泛，合成步驟少，合成速度快，不需要大規(guī)模的設(shè)備，投資少，可宏量生 產(chǎn)，適合產(chǎn)業(yè)化要求。
[0013] 2、制備的碳納米粒子不需要鈍化就有良好的熒光性。
[0014] 3、采用鐵、氮摻雜，成本低，不污染環(huán)境，而且催化效果超過(guò)貴金屬摻雜的效果。
[0015] 4、制備出的鐵氮摻雜碳納米粒子是固體，水溶性好，方便長(zhǎng)期保存；熒光亮度高， 方便用于光化學(xué)反應(yīng)催化，特別是染料污水的光催化分解。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明以富含氨基、羧基、羥基物質(zhì)和碳源為前驅(qū)體，三氯化鐵為鐵源，共熱合成 鐵、氮摻雜碳納米光催化劑的方法。以為富含氨基、羧基、羥基物質(zhì)助劑，將碳源物質(zhì)和富含 氨基、羧基、羥基物質(zhì)，加入三氯化鐵及少量水直至固體完全溶解于250毫升燒杯中，得紫 色透明溶液。將上述溶液置于恒溫干燥箱中于210°C加熱2小時(shí)。取出燒杯自然冷卻至室 溫，燒杯內(nèi)得棕黃色泡沫狀固體，此固體體為鐵、氮摻雜碳納米粒子。取20毫克催化劑，加 入染料和過(guò)氧化氫，水溶稀釋?zhuān)诠庹障略u(píng)估催化效果。
[0017] 為更好地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，特給出以下實(shí)施例，但本發(fā)明的實(shí)施并不僅限 于此。
[0018] 實(shí)施例1 (1)物料的混合：稱(chēng)取I. 〇克檸檬酸和I. 〇克草酸銨，于250毫升燒杯中，加入0. 1克 三氯化鐵，再加少量蒸餾水溶解，得紫色混合溶液。
[0019] (2)鐵、氮摻雜碳納米粒子生成：將上述混合溶液倒入250毫升燒杯中，置于恒溫 干燥箱中于210°C加熱2小時(shí)。取出燒杯自然冷卻至室溫，燒杯內(nèi)得棕黃色泡沫狀固體，此 固體體為鐵氮摻雜碳納米粒子光催化劑。
[0020] (3)光催化效果評(píng)估：以商業(yè)染料MB為模擬污染物降解模板，以碘鎢燈為光源模 擬太陽(yáng)光，對(duì)催化劑光催化性能進(jìn)行評(píng)估。取1.0毫升1.0毫克/毫升MB溶液，置于100 _升燒杯中加入20暈克所合成的催化劑，加入0. 050毫升30%過(guò)氧化氫，稀釋至50毫升， 放入攪拌子。置于磁力攪拌器上攪拌光照。每隔一段時(shí)間取樣在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上 分析，工作波長(zhǎng)為最大吸收波長(zhǎng)667納米，吸光度法檢驗(yàn)染料的剩余濃度，降解