CN103601253B - 一种圆片状α-Fe2O3 光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆片状α-Fe₂O₃光催化剂及其制备方法和应用，将FeCl₃·6H₂O溶于水中得溶液A，将NH₄VO₃溶于热的水中得溶液B，按照Fe与V的摩尔比为1:1将溶液B加入到溶液A中得到混合液，调节混合液的pH值为10～12后将混合液倒入水热反应釜中进行水热反应，制备出圆片状α-Fe₂O₃光催化剂。制得的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的形貌为圆片状，晶型呈菱方结构。本发明具有工艺简单，操作方便，制备周期短、反应条件温和、生产效率高，目标产物结构和形貌可控的优点，且制备出的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂具有良好的光催化活性，能应用于在紫外光下降解有机物。

Description

一种圆片状α-Fe2O3 光催化剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体涉及一种圆片状α-Fe₂O₃光催化剂及其制备方法和应用。 

背景技术

随着人类环保意识的增强和环保立法要求日趋严格，化学工业中的污染问题已成为公共的社会问题。人们希望采用无毒无害原料，生产与环境友好的产品。现在降解有机污染物的催化剂的研究正成为人们关注的热点，它在实现上述目的中起着关键的作用。 

目前，半导体光催化技术受到各国环境和能源研究者的普遍关注。光催化氧化技术的发展给环境污染物的处理和应对能源危机带来了新的发展潜力，成为废水、废气净化处理以及制氢技术中最活跃的研究领域。但TiO₂受禁带宽度(Eg=3.2eV)的限制只能吸收占太阳光不到5%的紫外光(λ<387nm)，对太阳能利用率很低。因此，开发研究较窄禁带宽度的新型可见光催化剂是提高太阳能利用率和解决当前问题的技术关键。然而α-Fe₂O₃禁带宽度窄，性能稳定、无毒、价格低廉，对紫外光和可见光均表现出较好的光电化学响应，太阳光利用效率高，广泛用于降解环境污染物、废气以及光解水制氢、制氧等领域，是一种非常有前途的可见光催化剂，成为近年来光催化领域中的一个研究热点。作为半导体的α-Fe₂O₃与TiO₂相比，其能带间隙(一般为2.2eV左右)比TiO₂带隙(3.2eV)窄，其光响应的波长(最大激发波长560nm)较之TiO₂的UV区吸收波长(380nm)长，故α-Fe₂O₃对太阳能的利用率增大，在可见光区具有很强的光吸收能力，能吸收约30％的太阳光能。 

制备氧化铁常用的方法有焙烧法，沉淀法，溶胶凝胶法，水解法和水热法。其中前三种方法均需经过较高温度的煅烧，所合成的粉体团聚严重，所得粉末分散性差且颗粒不具有规则的形貌。只有后两种方法，即水解法和水热法可以实现氧化铁颗粒形貌的控制合成。水解法易制得单分散的粒子，但是生产周期过长、产率低，能耗高。而水热法合成的纳米α-Fe₂O₃颗粒纯度非常高，不含其他杂质；同时水热合成法原料易得、产物颗粒晶形好、分散性好、形貌可控成本相对较低、产量高。所以，水热合成法是一种非常重要的合成纳米α-Fe₂O₃颗粒的方法。 

目前，国内外只有颗粒形貌为球状，八面体，纺锤体，椭球形颗粒的α-Fe₂O₃纳米粉体合成的报道，尚未见圆片状α-Fe₂O₃纳米粉体的报道。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆片状α-Fe₂O₃光催化剂及其制备方法和应用，该制备方法工艺简单、操作方便，制得的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂具有良好的光催化活性，能够应用于在紫外光下降解有机物。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为： 

一种圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法，包括以下步骤： 

步骤1：将FeCl₃·6H₂O溶于水中，搅拌均匀，得溶液A；将NH₄VO₃溶于80～95℃的水中，搅拌均匀，得溶液B；按照Fe元素与V元素的摩尔比为1:1将溶液B加入到溶液A中，搅拌均匀，得到混合液; 

步骤2：调节混合液的pH值为10～12； 

步骤3：将调节了pH值后的混合液放入水热反应釜中，密封水热反应釜； 

步骤4：将水热反应釜放入加热设备中，从室温升温到210～230℃，再在210～230℃保温15～17h，然后自然冷却至室温； 

步骤5：将水热反应釜中生成的沉淀取出，洗涤、干燥，得到圆片状α-Fe₂O₃光催化剂。 

所述溶液A中FeCl₃·6H₂O的浓度为0.08～0.12mol/L，溶液B中NH₄VO₃的浓度为0.08～0.12mol/L。 

所述步骤1中搅拌均匀所需的时间为20～30min。 

所述步骤2中用NaOH溶液调节混合液的pH值，NaOH溶液的浓度为3～5mol/L。 

所述步骤3中水热反应釜的填充度为60%～70%。 

所述步骤4中用40～45min的时间从室温升温到210～230℃。 

所述步骤5中的洗涤为用水和无水乙醇分别洗涤沉淀，至洗出液呈中性。 

所述步骤5中的干燥是将洗涤后的沉淀在60～70℃下干燥10～12h。 

所述的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法制得的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂，其形貌为圆片状，晶型呈菱方结构。 

所述的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法制得的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂在紫外光下降解有机物的应用。 

相对于现有技术，本发明的有益效果为： 

本发明提供的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法，以六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）和偏钒酸铵（NH₄VO₃）为原料，在pH值为10～12的碱性环境下，采用水热法制备圆片状α-Fe₂O₃光催化剂。该方法工艺简单、操作方便、反应条件温和、制备周期短、生产效率高，且在制备过程中α-Fe₂O₃不发生团聚，其粒径的可控范围较宽。而且本发明中混合液的pH值会影响制得的α-Fe₂O₃光催化剂的光催化活性，因此能够调控混合液的pH值从而调控制得的α-Fe₂O₃光催化剂的光催化活性，具有目标产物结构和形貌可控的优点。 

本发明制得的α-Fe₂O₃光催化剂为圆片状形貌，粒径均匀，其直径约为800nm，并且其晶型为菱方结构，而且制得的α-Fe₂O₃光催化剂在紫外光照射下表现出良好的光催化活性，能够在紫外光下降解有机物的方面应用。 

附图说明

图1是本发明制备的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的SEM图； 

图2是本发明在不同pH值下制备的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的XRD谱图，其中a为pH=10时的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的XRD图；b为pH=12时的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的XRD图； 

图3是本发明在不同pH值下制备的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂在紫外光下对罗丹明B的降解率曲线，其中a为pH=10时的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂对罗丹明B的降解曲线，b为pH=12时的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂对罗丹明B的降解曲线，c为罗丹明B自发的降解曲线。 

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的制备方法作进一步详细说明。 

实施例1： 

步骤1：将FeCl₃·6H₂O溶于去离子水中，搅拌30min至搅拌均匀，得溶液A，溶液A中FeCl₃·6H₂O的浓度为0.08mol/L；将NH₄VO₃溶于80℃的去离子水中，搅拌30min至搅拌均匀，得溶液B，溶液B中NH₄VO₃的浓度为0.08mol/L；按照Fe与V的摩尔比为1:1将溶液B逐滴加入到溶液A中，搅拌30min至搅拌均匀，得到混合液; 

步骤2：用浓度为4mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH值为10； 

步骤3：将调节了pH值后的混合液放入水热反应釜的聚四氟乙烯罐中，控 制水热反应釜的填充比为70%，然后密封水热反应釜； 

步骤4：将水热反应釜放入高温烘箱中，用45min的时间从室温升温到220℃，再在220℃保温16h，然后自然冷却至室温； 

步骤5：将水热反应釜中生成的沉淀取出，用去离子水和无水乙醇分别洗涤沉淀3次，至洗出液呈中性，再将洗涤后的沉淀在60℃下干燥12h，得到圆片状α-Fe₂O₃光催化剂。 

实施例2： 

步骤1：将FeCl₃·6H₂O溶于去离子水中，搅拌30min至搅拌均匀，得溶液A，溶液A中FeCl₃·6H₂O的浓度为0.08mol/L；将NH₄VO₃溶于85℃的去离子水中，搅拌30min至搅拌均匀，得溶液B，溶液B中NH₄VO₃的浓度为0.08mol/L；按照Fe与V的摩尔比为1:1将溶液B逐滴加入到溶液A中，搅拌30min至搅拌均匀，得到混合液; 

步骤2：用浓度为4mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH值为12； 

步骤3：将调节了pH值后的混合液放入水热反应釜的聚四氟乙烯罐中，控制水热反应釜的填充比为65%，然后密封水热反应釜； 

步骤4：将水热反应釜放入高温烘箱中，用45min的时间从室温升温到220℃，再在220℃保温16h，然后自然冷却至室温； 

步骤5：将水热反应釜中生成的沉淀取出，用去离子水和无水乙醇分别洗涤沉淀3次，至洗出液呈中性，再将洗涤后的沉淀在70℃下干燥10h，得到圆片状α-Fe₂O₃光催化剂。 

图1是本发明制备的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的SEM图，从图中可以看出其形貌为圆片状，粒径均匀，其直径约为800nm。 

图2是本发明在不同pH值下制备的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的XRD谱图， 其中a为实施例1制得的pH=10时的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的XRD图；b为实施例2制得的pH=12时的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的XRD图。从图2中可以看出，不同pH值下制备出的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的衍射峰都与PDF卡片（JCPDS No.33-0664）相一致，均为菱方结构的α-Fe₂O₃。 

实施例3： 

步骤1：将FeCl₃·6H₂O溶于去离子水中，搅拌30min至搅拌均匀，得溶液A，溶液A中FeCl₃·6H₂O的浓度为0.08mol/L；将NH₄VO₃溶于90℃的去离子水中，搅拌30min至搅拌均匀，得溶液B，溶液B中NH₄VO₃的浓度为0.08mol/L；按照Fe与V的摩尔比为1:1将溶液B逐滴加入到溶液A中，搅拌30min至搅拌均匀，得到混合液; 

步骤2：用浓度为4mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH值为10； 

步骤3：将调节了pH值后的混合液放入水热反应釜的聚四氟乙烯罐中，控制水热反应釜的填充比为60%，然后密封水热反应釜； 

步骤4：将水热反应釜放入高温烘箱中，用45min的时间从室温升温到220℃，再在220℃保温16h，然后自然冷却至室温； 

步骤5：将水热反应釜中生成的沉淀取出，用去离子水和无水乙醇分别洗涤沉淀3次，至洗出液呈中性，再将洗涤后的沉淀在65℃下干燥11h，得到圆片状α-Fe₂O₃光催化剂。 

实施例4： 

步骤1：将FeCl₃·6H₂O溶于去离子水中，搅拌30min至搅拌均匀，得溶液A，溶液A中FeCl₃·6H₂O的浓度为0.08mol/L；将NH₄VO₃溶于95℃的去离子水中，搅拌30min至搅拌均匀，得溶液B，溶液B中NH₄VO₃的浓度为0.08mol/L；按照Fe与V的摩尔比为1:1将溶液B逐滴加入到溶液A中，搅拌30min至搅 拌均匀，得到混合液; 

步骤2：用浓度为4mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH值为12； 

步骤3：将调节了pH值后的混合液放入水热反应釜的聚四氟乙烯罐中，控制水热反应釜的填充比为65%，然后密封水热反应釜； 

步骤4：将水热反应釜放入高温烘箱中，用45min的时间从室温升温到220℃，再在220℃保温16h，然后自然冷却至室温； 

步骤5：将水热反应釜中生成的沉淀取出，用去离子水和无水乙醇分别洗涤沉淀3次，至洗出液呈中性，再将洗涤后的沉淀在70℃下干燥10h，得到圆片状α-Fe₂O₃光催化剂。 

图3是本发明在不同pH值下制备的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂在紫外光下对罗丹明B的降解率曲线，图3中纵坐标的C/C₀为某时刻罗丹明B降解后的浓度与其初始浓度的比值。其中a为实施例3制得的pH=10时的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂对罗丹明B的降解率曲线，紫外光照射180min后罗丹明B的降解率为66%；b为实施例4制得的pH=12时的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂对罗丹明B的降解率曲线，紫外光照射180min后罗丹明B的降解率为70%；c为纯的罗丹明B的自发降解曲线。从图3中可以看出，在紫外光照射下，具有菱方结构的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的光催化活性随着pH值的增加也在逐步增大，其中按照实施例4制备的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂对罗丹明B的降解率最高。因此本发明制得的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂能够应用于在紫外光下降解有机物。 

实施例5： 

步骤1：将FeCl₃·6H₂O溶于去离子水中，搅拌20min至搅拌均匀，得溶液A，溶液A中FeCl₃·6H₂O的浓度为0.12mol/L；将NH₄VO₃溶于88℃的去离子水中，搅拌25min至搅拌均匀，得溶液B，溶液B中NH₄VO₃的浓度为0.12mol/L； 按照Fe与V的摩尔比为1:1将溶液B逐滴加入到溶液A中，搅拌25min至搅拌均匀，得到混合液; 

步骤2：用浓度为3mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH值为11； 

步骤3：将调节了pH值后的混合液放入水热反应釜的聚四氟乙烯罐中，控制水热反应釜的填充比为62%，然后密封水热反应釜； 

步骤4：将水热反应釜放入高温烘箱中，用40min的时间从室温升温到230℃，再在230℃保温15h，然后自然冷却至室温； 

步骤5：将水热反应釜中生成的沉淀取出，用去离子水和无水乙醇分别洗涤沉淀3次，至洗出液呈中性，再将洗涤后的沉淀在62℃下干燥11.5h，得到圆片状α-Fe₂O₃光催化剂。 

实施例6： 

步骤1：将FeCl₃·6H₂O溶于去离子水中，搅拌25min至搅拌均匀，得溶液A，溶液A中FeCl₃·6H₂O的浓度为0.10mol/L；将NH₄VO₃溶于92℃的去离子水中，搅拌20min至搅拌均匀，得溶液B，溶液B中NH₄VO₃的浓度为0.10mol/L；按照Fe与V的摩尔比为1:1将溶液B逐滴加入到溶液A中，搅拌20min至搅拌均匀，得到混合液; 

步骤2：用浓度为5mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH值为10.5； 

步骤3：将调节了pH值后的混合液放入水热反应釜的聚四氟乙烯罐中，控制水热反应釜的填充比为68%，然后密封水热反应釜； 

步骤4：将水热反应釜放入高温烘箱中，用43min的时间从室温升温到210℃，再在210℃保温17h，然后自然冷却至室温； 

步骤5：将水热反应釜中生成的沉淀取出，用去离子水和无水乙醇分别洗涤沉淀3次，至洗出液呈中性，再将洗涤后的沉淀在68℃下干燥10.5h，得到圆片 状α-Fe₂O₃光催化剂。 

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。 

Claims (9)

1.一种圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将FeCl₃·6H₂O溶于水中，搅拌均匀，得溶液A；将NH₄VO₃溶于80～95℃的水中，搅拌均匀，得溶液B；按照Fe元素与V元素的摩尔比为1:1将溶液B加入到溶液A中，搅拌均匀，得到混合液；

步骤2：调节混合液的pH值为10～12；

步骤3：将调节了pH值后的混合液放入水热反应釜中，密封水热反应釜；

步骤4：将水热反应釜放入加热设备中，从室温升温到210～230℃，再在210～230℃保温15～17h，然后自然冷却至室温；

步骤5：将水热反应釜中生成的沉淀取出，洗涤、干燥，得到圆片状α-Fe₂O₃光催化剂。

2.根据权利要求1所述的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法，其特征在于：所述溶液A中FeCl₃·6H₂O的浓度为0.08～0.12mol/L，溶液B中NH₄VO₃的浓度为0.08～0.12mol/L。

3.根据权利要求1或2所述的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1中搅拌均匀所需的时间为20～30min。

4.根据权利要求1或2所述的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤2中用NaOH溶液调节混合液的pH值，NaOH溶液的浓度为3～5mol/L。

5.根据权利要求1或2所述的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤3中水热反应釜的填充度为60％～70％。

6.根据权利要求1或2所述的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤4中用40～45min的时间从室温升温到210～230℃。

7.根据权利要求1或2所述的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤5中的洗涤为用水和无水乙醇分别洗涤沉淀，至洗出液呈中性。

8.根据权利要求1或2所述的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤5中的干燥是将洗涤后的沉淀在60～70℃下干燥10～12h。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂的制备方法制得的圆片状α-Fe₂O₃光催化剂，其特征在于：其形貌为圆片状，晶型呈菱方结构。