一种磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂，所述的催化剂是基于N掺杂复合粉体的制备工艺，选择六水合硝酸铈为Ce源，采用硅藻土精土为载体，通过溶胶凝胶法在其表面负载具有超顺磁性的NiFe2O4纳米颗粒。通过对TiO2引入了稀土元素Ce的掺杂改性，提升TiO2/硅藻土复合粉体的可见光利用率和光生电子空穴对的分离效率，使复合材料展现出卓越的光催化性能，并且由于引入镍铁氧体，使催化剂具有磁性，从而提高催化剂的回收能力，在处理高污染区域内土壤含有的难降解型有机污染物的应用中具有广阔的前景。

A magnetic Ce/N co-doped titanium dioxide/diatomite composite photocatalyst and its preparation method and Application

The invention discloses a magnetic Ce/N Co doped TiO2/ diatomite composite photocatalyst. The catalyst is based on the preparation process of N doped composite powder, and selects six hydrated cerium nitrate as Ce source, and uses diatomite fine soil as the carrier, and carries out superparamagnetic NiFe2O4 nanoparticles on the surface by sol-gel method. By doping and modifying the rare earth element Ce into the titanium dioxide, the visible light utilization ratio of the titanium dioxide/diatomite composite powders and the separation efficiency of the photogenerated electron hole pairs are improved, so that the composite exhibits excellent photocatalytic performance. Moreover, due to the introduction of nickel ferrite, the catalyst has magnetism, which improves the recovery ability of the catalyst. It has broad prospects in the treatment of refractory organic pollutants in soils in highly polluted areas.

【技术实现步骤摘要】
一种磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于光催化领域，具体的涉及一种磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
在现代农业的发展中农药和有机肥等作为重要的农业生产资料对防治病虫害，促进农、林、牧业生产发挥了重要的作用，但其大量使用又会造成环境污染，改变了自然界的土壤生态平衡，甚至引发人畜中毒事故，威胁人身安全。因其具有污染持续性和农产品富集性，已成为我国影响范围最大的一类有机污染。此外，工业生产、石油开采、交通运输、畜禽养殖及居民生活等也产生了大量有机污染物，使土壤有机物污染进一步加剧，土壤有机物污染的修复日益迫切。因此防治土壤污染，对保障居民的食品安全和饮水安全具有重要意义。在众多光催化剂中，纳米TiO2半导体材料是迄今为止应用最广泛的光催化剂之一，具有巨大的开发前景。然而，在实际应用过程中，TiO2仍然存在以下几个亟需解决的问题：(1)太阳能利用率低，因为带隙能较高(3.2eV)，只能被紫外光所激发(仅占太阳光的5％)；(2)量子效率较低，光生电子-空穴复合速度快；(3)易于团聚，导致活性面积和吸附量降低；(4)颗粒尺寸小，难以分离回收再利用。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂CN-TND(Ce/Nco-dopedTiO2/NiFe2O4/diatomite)，包括带隙能较高的掺杂型纳米TiO2、具有超顺磁性的NiFe2O4、强吸附性的天然多孔矿物硅藻土，其中采用硅藻土为载体，NiFe2O4纳米颗粒镶嵌于硅藻土壳层表面，掺杂型TiO2晶粒分散于NiFe2O4和硅藻土壳层表面，形成共掺杂磁性粉体的最外层。本专利技术另一目的是提供一种磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂CN-TND(Ce/Nco-dopedTiO2/NiFe2O4/diatomite)的制备方法，基于N掺杂复合粉体的制备工艺，选择六水合硝酸铈为Ce源，引入了稀土元素N/Ce的共掺杂改性，提升TiO2/硅藻土复合粉体的可见光利用率和光生电子空穴对的分离效率，使复合材料展现出卓越的光催化性能，并且由于引入镍铁氧体，使催化剂具有磁性，从而提高催化剂的回收能力。本专利技术另一目的是提供一种磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂在处理高污染区域内土壤含有的难降解型有机污染物的应用。本专利技术采用的技术方案为：一种磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂，所述的催化剂是基于N掺杂复合粉体的制备工艺，选择六水合硝酸铈为Ce源，采用硅藻土精土为载体，通过溶胶凝胶法在其表面负载具有超顺磁性的NiFe2O4纳米颗粒。一种所述磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂的制备方法，包括如下步骤：1)将九水合硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)和六水合硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)共同溶于去离子水，得混合溶液A，并保持在不断搅拌的状态下；2)向混合溶液A中加入一水柠檬酸(C6H8O7·H2O)，同时加入硅藻土精土，并通过滴加氨水(NH3·H2O)，将溶液pH值调至中性，得混合溶液B；3)将混合溶液B在继续保持搅拌状态30分钟后，将混合溶液B加热至80℃，并保持在该温度下4个小时，使混合溶液B脱水，得到棕褐色粉末；4)将棕褐色粉末通过马弗炉高温煅烧，煅烧后，将马弗炉自然冷却至常温，所获得的产品即为磁性硅藻土——磁性精土；5)将磁性精土与无水乙醇、冰醋酸混合，通过机械搅拌形成悬浊液，30分钟后，将钛酸四正丁酯滴加至该悬浊液，接着滴加乙二醇胺，保持体系一直处于搅拌状态。6)另配六水合硝酸铈、尿素、无水乙醇和去离子水的混合溶液，然后将该混合溶液滴加至步骤(5)所制得体系的悬浊液中，通过加入硝酸，将反应体系的pH值调节至3；将体系处于不停搅拌状态至少5小时后，静止放置至少72小时，此时体系呈凝胶状态，送入烘箱，在80℃下烘干，研磨成粉末，将该粉末通过马弗炉高温煅烧，之后，将马弗炉自然冷却至常温，所获得的产品即为目标产物。所述的制备方法，步骤1)中九水合硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)和六水合硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)的质量比为2:0.7。所述的制备方法，步骤5)中磁性精土与无水乙醇、冰醋酸的质液比为5g：70mL：5mL。所述的制备方法，步骤6)中六水合硝酸铈按与磁性精土质量比0.05：5的比例进行投料。所述的制备方法，步骤6)中尿素按与磁性精土质量比2.8：5的比例进行投料。所述的制备方法，步骤4)马弗炉高温煅烧，温度为600℃，时间为3小时，升温速率位为5℃/分钟。所述的制备方法，步骤6)马弗炉高温煅烧，温度为500℃，时间为2小时，升温速率位为2.5℃/分钟。一种所述的磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂在处理高污染区域内土壤含有的难降解型有机污染物的应用。所述的应用，所述的难降解型有机污染物为四环素、农药乐果。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术一种磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂，其磁性复合粉体是CN-TND(Ce/Nco-dopedTiO2/NiFe2O4/diatomite)，主要结构包括带隙能较高的掺杂型纳米TiO2、具有超顺磁性的NiFe2O4和强吸附性的天然多孔矿物硅藻土，其表层由Ce/N共掺杂型TiO2以及NiFe2O4磁性颗粒组成。为了增强其回收性能，对所述的光催化剂粉体引入磁性，以硅藻土为载体，通过溶胶凝胶法在其表面负载了具有超顺磁性的NiFe2O4纳米颗粒，制得磁性精土。将硅藻土作为纳米TiO2的载体，克服了实际情况中TiO2纳米颗粒发生的团聚现象，其分散作用使光生电子的迁移距离减小，有效促进光生电子-空穴的分离，进而提高催化效率。以硅藻土作为载体，制备具有光催化性能的硅藻土基复合光催化剂有效增加了光催化剂比表面积和催化剂表面活性位数量，增强对污染物分子的吸附能力，有利于表面光催化反应，更好地提高了催化效率。强吸附性的天然多孔矿物硅藻土颗粒与纳米TiO2颗粒相比，具有更大的直径及重量，可以被更快更容易地从反应体系中分离出来，因此复合材料具有更好的分离回收性能，从而减少二次污染、降低成本。TiO2/硅藻土复合结构可在一定程度上提升复合材料整体的吸附性能，这种将目标污染物通过吸附作用富集到光催化剂周围的“靶向富集作用”可大大促进复合物的光催化性能。磁性共掺杂型TiO2/硅藻土复合结构光催化剂引入具有超顺磁性的NiFe2O4纳米颗粒，而对于掺杂微量稀土元素的NiFe2O4会增强其超顺磁性，因NiFe2O4与TiO2在界面处发生了电荷转移作用，从而延缓了光生电子空穴对的复合速率，提升光催化剂的催化性能。磁性亦可使光催化剂更易回收，优于传统回收方法。负载硅藻土具有分散作用、助催化作用、助回收作用。基于N掺杂复合粉体的制备工艺，选择六水合硝酸铈为Ce源，通过对TiO2引入了稀土元素Ce/N的共掺杂改性，形成Ce/N共掺杂体系有效提升TiO2/硅藻土复合粉体的可见光利用率和光生电子空穴对的分离效率，使复合材料展现出卓越的光催化性能。磁性掺杂型TiO2/硅藻土复合材料，其粉体的表面呈现圆盘形状，其直径大约20μm，是典型的多孔结构。TiO2颗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂，其特征在于，所述的催化剂是基于N掺杂复合粉体的制备工艺，选择六水合硝酸铈为Ce源，采用硅藻土精土为载体，通过溶胶凝胶法在其表面负载具有超顺磁性的NiFe2O4纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂，其特征在于，所述的催化剂是基于N掺杂复合粉体的制备工艺，选择六水合硝酸铈为Ce源，采用硅藻土精土为载体，通过溶胶凝胶法在其表面负载具有超顺磁性的NiFe2O4纳米颗粒。2.一种如权利要求1所述磁性Ce/N共掺杂TiO2/硅藻土复合材料光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将九水合硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)和六水合硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)共同溶于去离子水，得混合溶液A，并保持在不断搅拌的状态下；2)向混合溶液A中加入一水柠檬酸(C6H8O7·H2O)，同时加入硅藻土精土，并通过滴加氨水(NH3·H2O)，将溶液pH值调至中性，得混合溶液B；3)将混合溶液B在继续保持搅拌状态30分钟后，将混合溶液B加热至80℃，并保持在该温度下4个小时，使混合溶液B脱水，得到棕褐色粉末；4)将棕褐色粉末通过马弗炉高温煅烧，煅烧后，将马弗炉自然冷却至常温，所获得的产品即为磁性硅藻土——磁性精土；5)将磁性精土与无水乙醇、冰醋酸混合，通过机械搅拌形成悬浊液，30分钟后，将钛酸四正丁酯滴加至该悬浊液，接着滴加乙二醇胺，保持体系一直处于搅拌状态。6)另配六水合硝酸铈、尿素、无水乙醇和去离子水的混合溶液，然后将该混合溶液滴加至步骤(5)所制得体系的悬浊液中，通过加入硝酸，将反应体系的p...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈岩，吴琼，王君，宋有涛，王春平，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21