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復合光催化劑及其制備方法和應用。

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光分解水制氫獲得可再生能源，此外還可以應用于環(huán)境凈化，解決人類發(fā)展所面臨的能量與環(huán)境問題。二氧化鈦作為一種半導體光催化劑，具有無毒、廉價、無二次污染的優(yōu)點，其在環(huán)境污染降解、光分解水制氫等領(lǐng)域有廣泛的應用前景。

ZnFe₂O₄是一種穩(wěn)定的尖晶石材料，具有相對較小的帶隙和穩(wěn)定的光化學特性，在顏料、磁性材料、光化學分解水制氫和鋰離子電池的陽極材料等領(lǐng)域都有著廣泛的應用，而且ZnFe₂O₄還是可見光降解有機污染物的高效光催化劑。在已有的優(yōu)勢上如何進一步提高其光催化效率成為人們研究的重點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑的制備方法，此制備方法簡單、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15-20h，產(chǎn)物經(jīng)離心、清洗、烘干得到ZnFe₂O₄；

3)Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑：將Fe₂O₃球和ZnFe₂O₄混合后，加入有機溶劑進行超聲分散，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復合光催化劑。

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑，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復合光催化劑，所述的酸為硝酸。

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

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

上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑在降解有機污染物中的應用。方法如下：在可見光照射下，向含有有機污染物的容器中加入上述的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑，即可將有機物進行降解。

本發(fā)明具有以下有益效果：

Fe₂O₃是一種非金屬N型半導體，由于其具有良好的化學穩(wěn)定性、熱學穩(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，可以吸收波長小于600nm的可見光，但是其光生電子-空穴易復合，量子效率低。為了拓寬Fe₂O₃的光譜響應范圍，本發(fā)明將Fe₂O₃和與其能級匹配的ZnFe₂O₄相復合，利用兩種半導體之間的能級差能使光生載流子由一種半導體微粒的能級注入到另一種半導體的能級上，使光生電子-空穴有效分離，提高兩種半導體光量子效率。

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的導帶，而Fe₂O₃的價帶中的空穴注入到ZnFe₂O₄的價帶，從而促進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的磁力效應進行有效的回收再利用，可以應用于大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為實施例1中獲得的Fe₂O₃球的XRD圖。

圖2為實施例1中獲得的ZnFe₂O₄的XRD圖。

圖3為實施例1中獲得的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑的XRD圖。

圖4為實施例1中獲得的Fe₂O₃球的SEM圖。

圖5為實施例1中獲得的ZnFe₂O₄的SEM圖。

圖6為實施例1中獲得的Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑的SEM圖。

圖7為Fe₂O₃、ZnFe₂O₄和Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑在光催化降解異丙醇氣體的活性對比圖。

具體實施方式

實施例1 Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑

(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10h(升溫速率為3℃/min)。

4)水熱反應完成之后，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球進行XRD測試，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球進行SEM測試，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反應釜中，放入馬弗爐中，于180℃下反應17小時(升溫速率為3℃/min)。

4)水熱反應完成之后，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進行XRD測試，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進行SEM測試，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復合光催化劑。

將得到的樣品Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑進行XRD測試，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復合光催化劑進行SEM測試，結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出Fe₂O₃和ZnFe₂O₄復合到了一起。

實施例2 Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑的應用

分別將實施例1制備的Fe₂O₃球、ZnFe₂O₄和Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑進行光催化劑材料性能測試。

測試過程為：分別將實施例1制備的Fe₂O₃球、ZnFe₂O₄和Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復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)含一個大氣壓空氣的224ml反應器中，以300W氙燈為光源，光電流調(diào)節(jié)到20mA位置，調(diào)節(jié)光強中心正照射到樣品表面，固定好位置，最后向反應器中注入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，進行測試，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％的異丙醇氣體，ZnFe₂O₄降解了60％的異丙醇氣體，F(xiàn)e₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑降解了80％的異丙醇氣體，從而可以看出Fe₂O₃/ZnFe₂O₄復合光催化劑的光催化活性比Fe₂O₃和ZnFe₂O₄的要高。