一种磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂及其制备方法与应用，属于光催化剂技术领域，该催化剂含有磷酸盐、氮掺杂还原氧化石墨及CuFe

【技术实现步骤摘要】
一种磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂及其制备方法与应用
本专利技术涉及光催化剂
，具体的涉及一种磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
氯酚类化合物(CPCs)是一类难降解有机污染物，广泛应用于医药、农药和工农业生产中的染料。在各种氯酚化合物中，2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)可用于有机合成，制造2,4-衍生物杀菌剂、农药除草醚(2,4-D)等、伊比磷及医药硫双二氯酚的中间体，以及用于制造防蛀、防腐和种子消毒的某些甲基化合物，被广泛的应用于化工及农业等相关行业。其腐蚀性强，刺激眼睛及皮肤。中毒严重者，可产生贫血及各种神经系统症状。并且2,4-DCP由于其稳定的理化结构，在水体中具有抗生物降解性，对水生生物和人体健康构成严重威胁。因此，近年来水体中2,4-DCP的去除越来越受到人们的关注。传统的2,4-DCP处理工艺主要有絮凝法、氧化法以及生物法等；但由于受2,4-DCP本身的难生物降解性，膜污染的限制，以及安全、经济等条件的限制，因此使用传统水处理方法受到一定的限制。可见光催化氧化法是直接利用太阳光，激发半导体系统，经一系列反应产生各种活性物种，与吸附在其表面的污染物发生物理化学反应，达到选择性富集氧化去除有机物的目的；作为一种低能高效的处理方法，可见光催化去除水中2,4-DCP越来越受到人们的关注。含氧酸催化剂有很多的优点，如结构稳定(硫酸盐、磷酸盐等的酸根离子)，易结晶。磷酸银(Ag3PO4)具有合适的禁带宽度(2.36ev)、显著的量子效率(≥90％)和较高的表面能，是应用最广泛的可见光催化剂之一。这使得与其他可见光活性光催化剂相比，从H2O生成O2的氧化潜力显著增强。在可见光下对各种有毒污染物具有高效的光催化降解活性。但磷酸盐光腐蚀性、电子转移能力差、表面吸附性能差等限制了其在水处理中的应用。因此，针对上述磷酸盐存在的缺陷，对Ag3PO4进行一定的修饰以改善Ag3PO4的光电子传导性能。氮掺杂还原石墨烯具有高比表面积、丰富官能团，能够克服Ag3PO4光腐蚀问题。但是目前还未有将氮掺杂还原石墨烯与磷酸盐结合在一起的催化剂。近年来，磁分离技术已广泛应用于水处理领域，它借助磁场力的作用，对不同磁性的物质进行分离的一项高效分离技术。由于磁性物质在磁场中受到的磁力作用比重力要大很多倍，因此该技术具有处理量大、固液分离效果好、占地面积小等诸多优点。
技术实现思路
1.要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题在于提供一种光催化效率高的磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐颗粒光催化剂，以解决现有技术中的问题，并提供前述光催化剂的制备方法及其在水处理中的应用。2.技术方案为解决上述问题，本专利技术采取如下技术方案：一种磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐颗粒光催化剂，其结构式如下：本专利技术还提供了上述磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐颗粒光催化剂的制备方法，磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1、NrGO/CuFe2O4的制备：取80～100mg氮掺杂还原氧化石墨烯粉末分散在100mL蒸馏水中，经超声处理，得到氮掺杂还原石墨烯分散液；在搅拌条件下缓慢加入Fe(NO3)3·9H2O和Cu(NO3)2·3H2O，待金属盐完全溶解后，将反应混合物加热至80℃，然后逐滴添加氨水，直至pH为10；将反应混合物持续搅拌3～5h，生成沉淀；再将所得沉淀物反复水洗，干燥，得到NrGO/CuFe2O4；S2、磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂的制备：取100mg步骤S1中所得的NrGO/CuFe2O4分散在150～200mL去离子水中，经超声处理后，将12～16mL硝酸盐溶液逐滴添加到前述分散液中，连续搅拌6h；向上述反应体系中加入10～15mLNa2HPO4溶液，连续搅拌6h，经离心后，收集最终产物，洗涤多次，真空干燥过夜，即得磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂粉末。进一步地，所述氮掺杂还原氧化石墨烯的制备方法包括如下步骤：S1-1、将300～400mg石墨烯溶于100～150mL的双蒸馏水中，经超声后，保温搅拌，至液体透明清澈，即得石墨烯分散液；S1-2、取30～40μL水合肼，加入步骤S1-1所得的分散液中，再置入内衬聚四氟乙烯不锈钢高压釜中，保持在180～220℃下水热反应20～24h，再冷却至室温，分离，经多次洗涤，80℃下干燥4～8h，得到氮掺杂还原氧化石墨烯(NrGO)粉末。进一步地，在步骤S1中，Fe(NO3)3·9H2O的浓度为0.07mol·L-1，Cu(NO3)2·3H2O的浓度为0.035mol·L-1，氨水的浓度为0.5～1mol·L-1，所述Fe(NO3)3·9H2O和Cu(NO3)2·3H2O的体积比为1:1。进一步地，在步骤S2中，硝酸盐溶液的浓度为100mg·mL-1，Na2HPO4溶液的浓度为100mg·mL-1。优选地，在步骤S2中，所述硝酸盐为AgNO3。优选地，所述煅烧的升温速率为2～4℃·min-1。优选地，所述超声处理中超声波的频率为60～90MHz。本专利技术还提供了上述磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐颗粒光催化剂在去除水中2,4-DCP的应用，所述磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂应用于去除水体中的2,4-DCP。3.有益效果(1)由实施例中对产物的性质检测可知，NrGO和CuFe2O4与磷酸盐结合紧密；磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂中的所有元素均存在，且分布均匀；所得催化剂的吸收光谱得以拓展，且带隙值明显降低；所得催化剂的光生空穴和电子分离效率显著提升；在可见光作用下，光电效应立即发生，并在瞬间达到最大值；所得催化剂在外加磁场中能迅速分离，退去磁场后又能良好的分散；所得催化剂的光催化降解率得以提高，光催化效率明显提升；所得催化剂在多次循环利用后的降解效率仍达到88％以上，且循环多次后光催化剂的组成成分无变化。则本专利技术提供的磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐颗粒可见光催化剂磁化强度高、电子传导能力强，光催化效率高，并对难降解有机污染物2,4-DCP处理效果好，且其物化性质稳定，应用价值高。(2)本专利技术采用原位共沉淀法两步合成磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐颗粒可见光催化剂，极大地节省了的合成时间，并简化了操作步骤，且反应过程无污染物产生，则本专利技术提供的光催化剂的制备方法简单、成本低、过程易控、绿色环保。综上，本专利技术提供的磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐颗粒光催化剂磁化强度高、电子传导能力强，催化活性高，物化性质稳定，对难降解有机物具有较好的去除效果好；该催化剂的制备方法简单、成本低、过程易控、绿色环保。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂，其特征在于，其结构式如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂，其特征在于，其结构式如下：





2.根据权利要求1所述的磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂的制备方法，其特征在于,包括如下步骤：
S1、NrGO/CuFe2O4的制备：取氮掺杂还原氧化石墨烯粉末分散在蒸馏水中，氮掺杂还原氧化石墨烯粉末与蒸馏水的质量比为(0.08～0.1):100，经超声处理，得到氮掺杂还原石墨烯分散液；在搅拌条件下缓慢加入Fe(NO3)3·9H2O和Cu(NO3)2·3H2O溶液，其中，Fe(NO3)3·9H2O溶液、Cu(NO3)2·3H2O溶液与前述蒸馏水的体积比为(50～80)：(50～80)：100，待金属盐完全溶解后，将反应混合物加热至80℃，然后逐滴添加氨水，直至pH为10；将反应混合物持续搅拌3～5h，生成沉淀；再将所得沉淀物反复水洗，干燥后，得到NrGO/CuFe2O4；
S2、磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂的制备：取步骤S1中所得的NrGO/CuFe2O4分散在去离子水中，所述NrGO/CuFe2O4和去离子水的质量比为0.1:(150～200)，将硝酸盐溶液逐滴添加到前述分散液中，所述硝酸盐溶液与前述去离子水的体积比为(12～16):(150～200)，连续搅拌6h；向上述反应体系中加入Na2HPO4溶液，所述Na2HPO4溶液与前述硝酸盐水溶液的体积比为(10～15):(12～16)，连续搅拌6h，经离心后，收集最终产物，经洗涤，真空干燥过夜，即得磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂粉末。


3.根据权利要求2所述的一种磁性氮掺杂还原石墨烯/磷酸盐可见光催化剂的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述氮掺杂还原氧化石墨烯的制备方法包括如下步骤：

【专利技术属性】
技术研发人员：韦学玉，刘志刚，徐晓平，杨晓凡，张玉凤，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34