申请日2010.07.08
公开(公告)日2013.06.05
IPC分类号B01J23/745; C02F103/30; C02F1/48; C02F1/30
摘要
本发明涉及铁基Fe2O3纳米管在可见光催化降解染料废水中的应用，该应用具体包括以下步骤：将铁基Fe2O3纳米管作为电极置于盛有染料废水的光透化学反应容器内，以铁基Fe2O3纳米管电极作为工作电极，铂片作为对电极，为工作电极施加一个0.4V～0.6V的正偏压，使用可见光源进行光催化降解反应。与现有光催化技术相比，本发明具有可以直接利用可见光进行高效光催化的特性，并且兼具材料制备工艺简单，成本低廉，光催化效果好等优点。
翻译权利要求书
1.铁基Fe2O3纳米管在可见光催化降解染料废水中的应用，其特征在于， 该应用具体包括以下步骤：将铁基Fe2O3纳米管作为电极置于盛有染料 废水的光透化学反应容器内，以铁基Fe2O3纳米管电极作为工作电极， 铂片作为对电极，为工作电极施加一个0.4V~0.6V的正偏压，使用可见 光源进行光催化降解反应;
所述的铁基Fe2O3纳米管具有赤铁矿晶形，能够对可见光产生响应，并 且垂直生长在铁基体上，其一维纳米管的微观结构能够有效分离光生 电子，较粒子型光催化剂有更好的光催化能力，该材料可以直接利用 可见光源光催化降解染料废水;
所述的铁基Fe2O3纳米管电极是通过以下方法制备：将纯度为99.9%高 纯金属铁作为基体，表面用金相砂纸进行打磨抛光，将其作为工作电 极，铂片为对电极，在含有0.3wt%的NaF，0.5wt%HF和2vol%的H2O的乙 二醇溶液电解液中进行电化学阳极氧化处理，在铁基体表面获得有序 的Fe2O3纳米管阵列电极，将制备得到的电极在管式炉中采用程序升温 ，升温速率为1℃/min，热处理温度400~550℃，热处理时间1h即得铁 基Fe2O3纳米管电极产品。
说明书
铁基Fe2O3纳米管在可见光催化降解染料废水中的应用
技术领域
本发明属于材料化学、环境化学和光催化技术领域，涉及一种用于可见光催 化污染物的铁基Fe2O3纳米管垂直阵列及制备方法，还涉及其应用于废水中有机污 染物可见光催化氧化降解的技术方法。
背景技术
近年来兴起的光催化环境污染物处理技术是一种新型的污染物控制技术，该技 术是将光催化剂和污染物结合，利用光能作为驱动力，达到污染物的降解去除，其 最大特点是工艺、操作简单，过程可控。光催化反应的关键要素是光催化剂。二氧 化钛作为一种常见的光催化剂早在20世纪50年代就为人们所熟知，自从1972年 日本科学家藤岛昭在Nature上报道了二氧化钛作为电极进行水的光分解效应，二 氧化钛这种光催化剂就引起了更大的关注，80年代前后在世界范围内展开了着眼 于二氧化钛光催化氧化有机物分解反应，但是这些研究最终都没有能够实现广泛的 应用，其主要原因是因为二氧化钛的禁带宽度为3.2ev，只能利用380nm以下的近 紫外线激发，虽然紫外光激发二氧化钛产生的空穴及羟基自由基具有很强的氧化 性，能够将大部分有机污染物氧化分解为二氧化碳、水等无机产物，但是分布在生 活空间中的光能本身十分稀薄，仅用自然光中的紫外波段收效甚微;若是利用人工 光源则会有因使用光源而产生的能耗问题。为了提高光催化剂的适用性和将来有可 能应用于大规模净化环境中水，大气，土壤的实用前景，如何能让可见光也能实现 光催化活性成为一个具有重大意义的研究课题。
近年来国际上材料科学、纳米科学的兴起为光催化技术注入了新的活力，因为 将光催化剂做成特定的形貌，结构将大大改善其性能。最著名的例子就是2001年美 国科学家Grimes首次通过电子显微镜观察到了TiO2的纳米管阵列。在含有F-离子的 电解液中阳极氧化金属Ti板可以得到制备TiO2纳米管，有序TiO2纳米管阵列属于典 型的一维纳米结构材料，具有优越的光电转换及光催化半导体性能，与TiO2纳米粉 体相比具有更大的比表面积和更强的吸附能力。纳米管阵列结构还具有良好的光散 射效应而呈现出其对光子极高的捕获效率，并且，有序结构为光生电子提供了传输 通道并极大地延长了光生电子的寿命。因此，能被可见光激发的氧化物纳米管阵列 薄膜有望成为未来太阳能电池、光解水制氢等清洁新能源领域应用的最有效能源转 化材料之一。更加重要的是TiO2纳米管是一个纳米级别的容器，能够在其中填装负 载各种活性物质对TiO2进行改性，这就保证了在未来TiO2纳米管要比TiO2纳米粉体 具有更高的利用价值。但是TiO2纳米管仍然未能摆脱TiO2本身的半导体特性，仍然 限制了其应用于大规模净化环境中水，大气，土壤的实用前景。
目前急需一种新型的成本低廉的纳米结构功能材料，其材料组成本身能够有可 见光吸收响应，而且可以类似TiO2能够构成一维的纳米管形貌。不仅可以大批量生 产应用于露天使用太阳光净化环境中水，大气，土壤中污染物，而且其纳米管道结 构能够填装其他活性物质，可以用于特殊场合的可见光催化化学反应，具有良好的 应用前景。
在各类固体金属氧化物中，Fe2O3的禁带宽度只有2.1ev，能够吸收600nm的 可见光，而且成本低廉;但是Fe2O3缺点是导电性差，电子和空穴具有极高的复合 率，光催化性能一般，限制了其应用。因此，类似TiO2纳米管，如果能将Fe2O3制备成具有纳米管形貌的光催化剂，将具有重要的理论意义，也能满足上述的实际 应用需求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简单， 成本低廉，催化效果好的用于可见光催化污染物的Fe2O3纳米管电极的制备方法和 将其直接应用于光催化降解染料废水的方法。
本发明的材料制备可以通过以下技术方案来实现：铁基Fe2O3纳米管在可见光 催化降解染料废水中的应用，其特征在于，该应用具体包括以下步骤：将铁基Fe2O3纳米管作为电极置于盛有染料废水的光透化学反应容器内，以铁基Fe2O3纳米管电 极作为工作电极，铂片作为对电极，为工作电极施加一个0.4V～0.6V的正偏压，使 用可见光源进行光催化降解反应。
所述的铁基Fe2O3纳米管具有赤铁矿晶形，能够对可见光产生响应，并且垂直 生长在铁基体上，其一维纳米管的微观结构能够有效分离光生电子，较粒子型光催 化剂有更好的光催化能力，该材料可以直接利用可见光源光催化降解染料废水。
所述的铁基Fe2O3纳米管电极是通过以下方法制备：将纯度为99.9%高纯金属 铁作为基体，表面用金相砂纸进行打磨抛光，将其作为工作电极，铂片为对电极， 在含有0.3wt%的NaF，0.5wt%HF和2vol%的H2O的乙二醇溶液电解液中进行电 化学阳极氧化处理，在铁基体表面获得有序的Fe2O3纳米管阵列电极，将制备得到 的电极在管式炉中采用程序升温，升温速率为1℃/min，热处理温度400～550℃， 热处理时间1h即得铁基Fe2O3纳米管电极产品。
与现有技术相比，本发明利用铁片为原材料，使用阳极氧化的方法在含F-离子 混合溶剂中一步制备得到垂直有序排列的Fe2O3纳米管阵列电极，与传统的TiO2纳 米管相比具有对可见光产生响应的优点，并且制备工艺简单，成本低廉。