[发明专利]分子自组装单层针铁矿纳米材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种分子自组装单层针铁矿纳米材料的制备方法及其应用。

背景技术

铁的(氧氢)氧化矿物，特别是赤铁矿、针铁矿是土壤、沉积物和水体的常见组分，在地表广泛存在。FeOOH矿物的光催化性近来也备受关注，其光响应波长较长(λ_FeOOH<563 nm)，对太阳能的利用率大，甚至无光条件下也有一定程度的催化作用,同时它们具有较大的表面积和较强的吸附能力，对阴、阳离子、重金属离子及有机螯合剂在地表环境中的迁移和沉淀有重要影响。目前，以赤铁矿、针铁矿、磁铁矿等为代表的天然矿物和合成的纳米材料正成为国际上关于氧化铁类的环境矿物和纳米材料净化污染方法研究的重点对象之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分子自组装单层针铁矿纳米材料的制备方法及其应用，所得到的材料应用于处理苯酚水溶液，苯酚转化率和COD降解率高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：分子自组装单层针铁矿纳米材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）基质的预处理：以石英砂或者石英玻璃片为基质，用无水乙醇超声洗涤石英砂或者石英玻璃片10min，再用piranha溶液（浓H₂SO₄：质量浓度30%的H₂O₂，体积比为7:3）进行表面浸泡处理30min，使石英砂或者石英玻璃片表面羟基化，再置于烘箱中60℃干燥5h后，得预处理后的基质，待用；

2）自组装单层的形成：将预处理后的基质浸入含有体积浓度为2%的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)【分子式为Si(OCH₃)₃ (CH₂)₃-SH】的甲苯溶液中，20℃下处理4h后取出基质；再用无水乙醇洗涤、干燥，得到自组装单层(SH/石英砂或石英玻璃片材料）；然后将上述自组装单层在60℃经质量浓度为30%H₂O₂氧化24h后，再用0.1M H₂SO₄处理2h，得到分子自组装单层(SO₃H/石英砂或石英玻璃片材料)；

3）针铁矿纳米薄膜的形成：称取0.04～0.16gFe(NO₃)₃·9H₂O配制浓度为1.0-4.0mM、pH值（用浓HNO₃调节）为1.5-2.5的100ml Fe(NO₃)₃溶液，得到相应条件的Fe(NO₃)₃－HNO₃液相反应体系；加入0.1g上述制得的分子自组装单层(SO₃H/石英砂或石英玻璃片材料，或称分子自组装单层/石英砂或石英玻璃片材料)，超声10min，置于水浴锅中，水浴温度由31℃逐渐上升到70℃并保持温度恒定（70±0.5℃），采用玻璃三角烧杯（使用前经浓HNO₃钝化），水浴加热6-10h后，得到分子自组装单层针铁矿纳米材料（或称自组装单层的FeOOH/SAMs薄膜）。 

所述超声的频率为40KHZ，功率为250W。

分子自组装单层针铁矿纳米材料应用于处理苯酚水溶液，每40mL的苯酚浓度为22mg/L的水溶液中加入2g/L的分子自组装单层针铁矿纳米材料，处理时间2-8h，苯酚转化率和COD降解率可达到84.7%和80.3%（说明苯酚转化率和COD降解率高）。

将分子自组装单层针铁矿纳米材料【自组装FeOOH膜】作为一种固定化技术，可增强纳米针铁矿薄膜的表面积利用率，而且在自组装单层上沉积FeOOH纳米颗粒的构架有利于光分散到薄膜的表面，提高其催化活性。本发明具有高效的界面吸附—催化降解有机物的特点。

本发明的有益效果是：所得到的材料应用于处理苯酚水溶液，苯酚转化率和COD降解率高（苯酚转化率和COD降解率可达到84.7%和80.3%）。

附图说明

图1 a是实施例1所得到的分子自组装单层针铁矿纳米材料【SH-SAMs基体表面沉积10h的铁氢氧化物薄膜(α-FeOOH)】低倍形貌的透射电镜照片；图中：a: 低倍形貌。