專利名稱：一種Fe摻雜TiO₂納米管光催化劑及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于催化劑和水處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種Fe摻雜納米管TiO2光催化劑及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，由于工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水大量排放，湖泊、水庫(kù)等水體有機(jī)物含量增高，水污染嚴(yán)重。自2007年7月I日起，新《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》開始實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)了對(duì)水質(zhì)有機(jī)物、微生物和水質(zhì)消毒等方面的要求，飲用水水質(zhì)指標(biāo)由原標(biāo)準(zhǔn)的35項(xiàng)增至106項(xiàng)。新標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，生活飲用水必須滿足以下三項(xiàng)基本要求:保證流行病學(xué)安全；水中所含化學(xué)物質(zhì)和放射性物質(zhì)不得對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，不得產(chǎn)生急性或慢性中毒及潛在的遠(yuǎn)期危害(致癌、致畸、致突變)；生活飲用水必須確保感官性狀良好，能被飲用者接受。光催化劑中，以TiO2最為常見。1102光催化法具有如下優(yōu)點(diǎn):常溫常壓下即可催化降解有機(jī)物；對(duì)污染物選擇性低，分解徹底，不產(chǎn)生二次污染；可去除低濃度有機(jī)污染物；顆粒比表面積大，吸附點(diǎn)位多，對(duì)污染物去除率高。此外，TiO2本身不具毒性，價(jià)格低廉，具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。納米管TiO2的比表面積較TiO2粉末大，可提供更多的污染物吸附點(diǎn)位，并為電子-空穴對(duì)分離提供更大的面積。然而，TiO2的禁帶寬度較寬，光反應(yīng)中電子與空穴較易復(fù)合，從而抑制了 TiO2的光催化性能。向納米管TiO2中摻雜金屬離子，則能夠有效改變TiO2納米管的光催化效率。常用的納米管TiO2合成方法包括模板法、電化學(xué)法等，其中模板法得到的納米管的內(nèi)徑一般較大，管壁厚，比表面積小，且生成的納米管受模板形貌的限制，而且制備過程及工藝復(fù)雜；電化學(xué)法生成的TiO2納米管排列有序，但管徑較大，壁厚。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面提供一種方法簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的Fe摻雜TiO2納米管光催化劑的制備方法，具體包括以下步驟:將P-25Ti02粉末及Fe (NO3) 3.9H20加入到NaOH溶液中，磁力攪拌0.5h，移入聚四氟乙烯燒杯中，105°C反應(yīng)24h，取出冷卻至室溫，蒸餾水洗滌至中性，用0.lmol/L鹽酸浸泡
0.5h，再次洗滌至中性，60°C烘干，在馬弗爐內(nèi)以500-550°C煅燒2h，研磨得到Fe摻雜TiO2納米管光催化劑。進(jìn)一步地，所述Fe摻雜TiO2納米管光催化劑中Fe摩爾摻雜量為1%。進(jìn)一步地，所述P-25Ti02粉末比表面積為50m2/g，平均粒徑21nm，銳鈦礦和金紅石礦分別占總質(zhì)量的80%和20%。進(jìn)一步地，所述馬弗爐內(nèi)以550°C進(jìn)行煅燒。進(jìn)一步地，所述Fe摻雜TiO2納米管光催化劑的比表面積為118m2/g。本發(fā)明另一方面提供一種Fe摻雜TiO2納米管光催化劑，由上述制備方法制備而成。
本發(fā)明另一方面提供一種Fe摻雜TiO2納米管光催化劑的用途，使用上述的Fe摻雜TiO2納米管光催化劑處理含有機(jī)污染物廢水。作為優(yōu)選實(shí)施方案，所述含有機(jī)污染物廢水為含腐植酸的廢水。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:I)催化劑本身不具毒性，價(jià)格低廉，具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，對(duì)污染物催化效率高，顆粒比表面積大，吸附點(diǎn)位多，對(duì)污染物去除率高。2)該催化劑常溫常壓下即可降解有機(jī)物；對(duì)污染物選擇性低，分解徹底，不產(chǎn)生二次污染，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。


圖1是不同種類TiO2XRD譜圖。圖2是TiO2XPS譜圖，其中圖2(a)是550°C煅燒納米管TiO2XPS全程寬掃描譜圖，圖2 (b)是550°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2XPS全程寬掃描譜圖，圖2 (c)是550°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2XPS Fe2p窄掃描譜圖。圖3是不同煅燒溫度對(duì)Fe摻雜納米管TiO2催化效果的影響。圖1 中:1.P-25Ti02粉末，2.煅燒納米管TiO2, 3.煅燒Fe摻雜納米管Ti02。圖2 (a)中:1.Cls，2.Ti2p 窄掃描，3.01s。圖2 (b)中:1.Cls，2.Ti2p 窄掃描，3.01s, 4.Fe2p。圖2 (c)中:1.Fe2p3/2，2.Fe2pl/2。圖3 中:1.450°C，2.500°C，3.550°C，4.600°C。具體實(shí)施方法下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1稱取1.0g P-25Ti02 粉末及 0.0505g 的 Fe (NO3)3.9H20,加入到 16.0mLIOmoI/L的NaOH溶液中，磁力攪拌0.5h，移入聚四氟乙烯燒杯中，105°C反應(yīng)24h，取出冷卻至室溫，蒸餾水洗滌至中性。用0.lmol/L鹽酸浸泡0.5h，再次洗滌至中性，60°C烘干，在馬弗爐內(nèi)550°C煅燒2h，研磨即可得到原子摻雜量為1%的Fe摻雜納米管TiO2催化劑。上述P_25Ti02粉末購(gòu)自德固賽公司(Degussa Corporation, New Jersey)。該TiO2粉末比表面積為50m2/g，平均粒徑21nm，銳鈦礦和金紅石礦分別占總質(zhì)量的80%和20%。使用日本理學(xué)Dmax-RB旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極衍射儀(X_ray diffraction, XRD)分析550°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2的晶相(Cu Ka靶，λ =0.1506nm);(圖1 )，結(jié)果表明，金屬離子的摻雜可導(dǎo)致(101)晶面特征峰的衍射布拉格角向低角度方向移動(dòng)；摻雜金屬離子后，TiO2衍射峰寬化現(xiàn)象明顯；此外，金屬摻雜后，銳鈦礦含量有所增大。表面元素成分及價(jià)態(tài)分析:采用 AXIS Ultra 型 X 射線光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)分析樣品表面元素成分及價(jià)態(tài)；Quadrasorb S1-MP比表面積測(cè)定儀測(cè)定催化劑比表面積，圖2結(jié)果表明，F(xiàn)e摻雜納米管TiO2中，F(xiàn)e2p3/2和Fe2pl/2的結(jié)合能分別為710.9eV和726.3eV,Fe元素以+3價(jià)存在于TiO2晶格中。比表面積測(cè)定儀測(cè)定催化劑比表面積，結(jié)果表明，5500C煅燒Fe摻雜納米管TiO2的比表面積為118m2/g。催化劑用途:用550°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2降解腐植酸。反應(yīng)在光催化反應(yīng)器中進(jìn)行，首先向反應(yīng)器中加入550°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2催化劑，確保其濃度為0.1g/L,再通入臭氧,曝氣30min后加入腐植酸溶液,使得其初始濃度為10mg/L。每隔2min取樣10mL，加入ImL Na2S2O3溶液，震蕩后用0.45 μ m微孔濾膜過濾，以去除水中的TiO2顆粒。過濾后的樣品試用哈希D5000紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定254nm處的吸光度(圖3)。結(jié)果表明，550°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2催化劑對(duì)腐植酸的去除率分別為79.5%。實(shí)施例2稱取1.0g P-25Ti02 粉末及 0.0505g 的 Fe (NO3)3.9H20,加入到 16.0mLIOmoI/L的NaOH溶液中，磁力攪拌0.5h，移入聚四氟乙烯燒杯中，105°C反應(yīng)24h，取出冷卻至室溫，蒸餾水洗滌至中性。用0.lmol/L鹽酸浸泡0.5h，再次洗滌至中性，60°C烘干，在馬弗爐內(nèi)450°C煅燒2h，研磨即可得到原子摻雜量為1%的Fe摻雜納米管TiO2催化劑。上述P_25Ti02粉末購(gòu)自德固賽公司(Degussa Corporation, New Jersey)。該TiO2粉末比表面積為50m2/g，平均粒徑21nm，銳鈦礦和金紅石礦分別占總質(zhì)量的80%和20%。使用日本理學(xué)Dmax-RB旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極衍射儀(X_ray diffraction, XRD)分析450°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2的晶相(Cu Ka靶，λ =0.1506nm);(圖1 )，結(jié)果表明，金屬離子的摻雜可導(dǎo)致(101)晶面特征峰的衍射布拉格角向低角度方向移動(dòng)；摻雜金屬離子后，TiO2衍射峰寬化現(xiàn)象明顯；此外，金屬摻雜后，銳鈦礦含量有所增大。比表面積測(cè)定儀測(cè)定催化劑比表面積，結(jié)果表明，450°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2的比表面積為170m2/g。催化劑用途:用450°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2降解腐植酸。反應(yīng)在光催化反應(yīng)器中進(jìn)行，首先向反應(yīng)器中加入450°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2催化劑，確保其濃度為0.1g/L,再通入臭氧,曝氣30min后加入腐植酸溶液,使得其初始濃度為10mg/L。每隔2min取樣10mL，加入ImL Na2S2O3溶液，震蕩后用0.45 μ m微孔濾膜過濾，以去除水中的TiO2顆粒。過濾后的樣品試用哈希D5000紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定254nm處的吸光度(圖3)。結(jié)果表明，450°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2催化劑對(duì)腐植酸的去除率分別為45.40%。實(shí)施例3稱取1.0g P-25Ti02 粉末及 0.0505g 的 Fe (NO3)3.9H20,加入到 16.0mLIOmoI/L的NaOH溶液中，磁力攪拌0.5h，移入聚四氟乙烯燒杯中，105°C反應(yīng)24h，取出冷卻至室溫，蒸餾水洗滌至中性。用0.lmol/L鹽酸浸泡0.5h，再次洗滌至中性，60°C烘干，在馬弗爐內(nèi)500°C煅燒2h，研磨即可得到原子摻雜量為1%的Fe摻雜納米管TiO2催化劑。上述P_25Ti02粉末購(gòu)自德固賽公司(Degussa Corporation, New Jersey)。該TiO2粉末比表面積為50m2/g，平均粒徑21nm，銳鈦礦和金紅石礦分別占總質(zhì)量的80%和20%。使用日本理學(xué)Dmax-RB旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極衍射儀(X_ray diffraction, XRD)分析500°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2的晶相(Cu Ka靶，λ =0.1506nm);(圖1 )，結(jié)果表明，金屬離子的摻雜可導(dǎo)致(101)晶面特征峰的衍射布拉格角向低角度方向移動(dòng)；摻雜金屬離子后，TiO2衍射峰寬化現(xiàn)象明顯；此外，金屬摻雜后，銳鈦礦含量有所增大。比表面積測(cè)定儀測(cè)定催化劑比表面積，結(jié)果表明，500°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2的比表面積為141m2/g。催化劑用途:用500°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2降解腐植酸。反應(yīng)在光催化反應(yīng)器中進(jìn)行，首先向反應(yīng)器中加入500°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2催化劑，確保其濃度為0.1g/L,再通入臭氧,曝氣30min后加入腐植酸溶液,使得其初始濃度為10mg/L。每隔2min取樣10mL，加入ImL Na2S2O3溶液，震蕩后用0.45 μ m微孔濾膜過濾，以去除水中的TiO2顆粒。過濾后的樣品試用哈希D5000紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定254nm處的吸光度(圖3)。結(jié)果表明，500°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2催化劑對(duì)腐植酸的去除率分別為71.50%。實(shí)施例4稱取1.0g P-25Ti02 粉末及 0.0505g 的 Fe (NO3)3.9H20,加入到 16.0mLIOmoI/L的NaOH溶液中，磁力攪拌0.5h，移入聚四氟乙烯燒杯中，105°C反應(yīng)24h，取出冷卻至室溫，蒸餾水洗滌至中性。用0.lmol/L鹽酸浸泡0.5h，再次洗滌至中性，60°C烘干，在馬弗爐內(nèi)600°C煅燒2h，研磨即可得到原子摻雜量為1%的Fe摻雜納米管TiO2催化劑。上述P_25Ti02粉末購(gòu)自德固賽公司(Degussa Corporation, New Jersey)。該TiO2粉末比表面積為50m2/g，平均粒徑21nm，銳鈦礦和金紅石礦分別占總質(zhì)量的80%和20%。使用日本理學(xué)Dmax-RB旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極衍射儀(X_ray diffraction, XRD)分析600°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2的晶相(Cu Ka靶，λ =0.1506nm);(圖1 )，結(jié)果表明，金屬離子的摻雜可導(dǎo)致(101)晶面特征峰的衍射布拉格角向低角度方向移動(dòng)；摻雜金屬離子后，TiO2衍射峰寬化現(xiàn)象明顯；此外，金屬摻雜后，銳鈦礦含量有所增大。比表面積測(cè)定儀測(cè)定催化劑比表面積，結(jié)果表明，600°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2的比表面積為88m2/g。催化劑用途:用600°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2降解腐植酸。反應(yīng)在光催化反應(yīng)器中進(jìn)行，首先向反應(yīng)器中加入600°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2催化劑，確保其濃度為0.1g/L,再通入臭氧,曝氣30min后加入腐植酸溶液,使得其初始濃度為10mg/L。每隔2min取樣10mL，加入ImL Na2S2O3溶液，震蕩后用0.45 μ m微孔濾膜過濾，以去除水中的TiO2顆粒。過濾后的樣品試用哈希D5000紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定254nm處的吸光度(圖3)。結(jié)果表明，600°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2催化劑對(duì)腐植酸的去除率分別為42.50%。結(jié)果表明，隨煅燒溫度增高，催化劑催化效果先增大后減小，該結(jié)果與催化劑中銳鈦礦含量、催化劑比表面積的協(xié)同作用有關(guān)，500°C及550°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2催化劑對(duì)腐植酸的去除率分別為71.50%和79.5%，尤其是550°C煅燒Fe摻雜納米管TiO2催化劑可顯著提高紫外/臭氧化對(duì)腐植酸的去除效率。綜上所述，本發(fā)明對(duì)上述Fe摻雜納米管TiO2光催化劑及其制備方法和用途進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明不限于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求書所記載的保護(hù)范圍的情況下可進(jìn)行任意變更和修改。
權(quán)利要求
1.一種Fe摻雜TiO2納米管光催化劑的制備方法，其特征在于，該制備方法如下: 將P-25Ti02粉末及Fe(NO3)3.9H20加入到NaOH溶液中，磁力攪拌0.5h，移入聚四氟乙烯燒杯中，105°C反應(yīng)24h，取出冷卻至室溫，蒸餾水洗滌至中性，用0.lmol/L鹽酸浸泡0.5h，再次洗滌至中性，60°C烘干，在馬弗爐內(nèi)以500-550°C煅燒2h，研磨得到Fe摻雜TiO2納米管光催化劑。
2.如權(quán)利要求1所述的Fe摻雜TiO2納米管光催化劑的制備方法，其特征在于，所述Fe摻雜TiO2納米管光催化劑中Fe摩爾摻雜量為1%。
3.如權(quán)利要求1所述的Fe摻雜TiO2納米管光催化劑的制備方法，其特征在于，所述卩-251102粉末比表面積為50m2/g，平均粒徑21nm，銳鈦礦和金紅石礦分別占總質(zhì)量的80%和20%。
4.如權(quán)利要求1所述的Fe摻雜TiO2納米管光催化劑的制備方法，其特征在于，所述馬弗爐內(nèi)以550°C進(jìn)行煅燒。
5.如權(quán)利要求1所述的Fe摻雜TiO2納米管光催化劑的制備方法，其特征在于，所述Fe摻雜TiO2納米管光催化劑的比表面積為118m2/g。
6.—種Fe摻雜TiO2納米管光催化劑,其特征在于，由權(quán)利要求1-5之一所述的制備方法制備而成。
7.—種Fe摻雜TiO2納米管光催化劑的用途，其特征在于使用如權(quán)利要求6所述的Fe摻雜TiO2納米管光催化劑處理含有機(jī)污染物廢水。
8.如權(quán)利要求7所述的用途，其特征在于，所述含有機(jī)污染物廢水為含腐植酸的廢水。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Fe摻雜TiO2納米管光催化劑的制備方法，該制備方法如下將P-25TiO2粉末及Fe(NO3)3·9H2O加入到NaOH溶液中，磁力攪拌0.5h，移入聚四氟乙烯燒杯中，105℃反應(yīng)24h，取出冷卻至室溫，蒸餾水洗滌至中性，用0.1mol/L鹽酸浸泡0.5h，再次洗滌至中性，60℃烘干，在馬弗爐內(nèi)以500-550℃煅燒2h，研磨得到Fe摻雜TiO2納米管光催化劑，結(jié)果表明，550℃煅燒Fe摻雜納米管TiO2催化劑具有良好的催化效果。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是制備的催化劑不具毒性，價(jià)格低廉，具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，顆粒比表面積大，吸附點(diǎn)位多，對(duì)污染物去除率高。
文檔編號(hào)C02F1/72GK103157476SQ20131011024
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者周北海, 袁蓉芳, 施春紅, 花朵 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)