[发明专利]一种可磁分离型高可见光活性复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种可磁分离型高可见光活性复合催化剂及其制备方法和应用，属于光催化剂领域。

背景技术

随着环境污染及能源危机的加剧，纳米二氧化钛（TiO₂）光催化氧化技术已广泛应用于环境、能源等各个领域。相比于目前常用的生物法和物化法等降解技术，光催化氧化技术因其所用纳米TiO₂具有氧化性强、耐酸碱性好、化学性质稳定、对生物无毒、来源丰富等优点在处理难降解有机物方面受到广泛重视。但是，1）纳米TiO₂颗粒细微，在光催化过程中存在分散不均匀、易团聚、难以分离回收等缺点；2）纳米TiO₂在光催化反应过程中光生电子-空穴复合率高，导致TiO₂光催化效率降低；3）锐钛矿型TiO₂是宽禁带半导体，仅能响应短波长的紫外光（λ<387nm，约占太阳能的5%），而太阳光谱中占绝大多数的可见光部分（能量约占45%）未能被有效利用，能源利用效率低，在工业应用过程中受到很大限制。

利用磁场对悬浮态TiO₂光催化剂进行分离回收为该问题的解决提供了一种新思路。其基本思想是：以超顺磁性的纳米颗粒为载体，将TiO₂负载于其表面，构成具有超顺磁特点的新型纳米催化剂。与传统催化剂相比，此种新型催化剂不仅尺寸处于纳米级，而且容易被外加磁场分离，从而解决了水分散性TiO₂光催化剂存在的分离回收问题。此外，由于该新型催化剂具有超顺磁特性，即如果有一外部磁场，纳米颗粒将被“吸”进磁场。如果将外部磁场关闭，纳米粒子将重新分散到溶液中，如同什么都没发生，因此不会出现纳米颗粒间因磁性相互吸引而导致的团聚现象。

对比现有文献发现，中国发明专利CN201110372997.X介绍了一种可磁性分离回收的石墨烯复合二氧化钛光催化剂及其制备方法，其首先将石墨烯与磁性颗粒复合制备磁性石墨烯，再与水热法合成的TiO₂颗粒复合制备三元复合催化剂；但该专利涉及的TiO₂为金红石型，其低温活性很差；中国专利CN200610096306.7公开了一种三元复合锐钛矿型二氧化钛光催化剂及其制备方法，但其载体为活性炭，比表面积远小于氧化石墨烯；中国专利CN201210254936.8公开了一种可磁分离二氧化钛P25-铁酸盐-石墨烯纳米催化剂及其制备方法，但其所用TiO₂为商品化P25，磁性颗粒采用的为铁酸盐类。

中国专利CN201310121012.5中记载，申请人前期已成功将TiO₂颗粒与氧化石墨烯复合，低温制备得到高可见光活性的光催化复合材料，实验证明该催化剂可实现对喹啉等有机污染物的深度降解。

发明内容

本发明旨在提供一种可磁分离型高可见光活性复合催化剂及其制备方法，解决了纳米二氧化钛光催化氧化技术工业化应用过程中催化剂活性低、分离回收困难和可见光利用率低的问题。

本发明提供了一种可磁分离型高可见光活性复合催化剂，该复合催化剂包括纳米四氧化三铁、氧化石墨烯和二氧化钛，四氧化三铁、二氧化钛、氧化石墨烯的质量比为1:5~200:0.01~2。

优选地，所述四氧化三铁、二氧化钛、氧化石墨烯的质量比为1:20~80:0.8~1.0。

本发明提供了一种所述的可磁分离型高可见光活性复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将氧化石墨烯在pH为1~5的酸溶液中超声分散得到溶液A；每10mg氧化石墨烯使用的酸溶液为1~80mL；

步骤二、将钛前驱体的醇溶液（钛前驱体与醇的体积比为1:1~10）滴加到溶液A中，钛前驱体的醇溶液与溶液A的体积比1:1~20，搅拌0.5~2h，混合均匀，对混合溶液进行加热，使其在30~150℃下反应12~72 h，得到溶液B；

步骤三、将纳米四氧化三铁超声分散于去离子水中，得到浓度为0.01~0.5mol/L的溶液C；

步骤四、将溶液C加入溶液B中，溶液C和溶液B的体积比1:10~100，搅拌0.5~1.5h，并在30~150℃下反应6~12h，然后静置，得到棕色产物；

步骤五、将步骤四所得棕色产物进行磁分离并洗涤，然后将沉淀物于25~100℃的真空环境中干燥6~24 h，最后将干燥后的产物研磨即得到复合催化剂。

上述方法中，步骤一中，所述的酸为盐酸、硫酸、硝酸、醋酸中的一种。