磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料的合成及光催化性能研究

劉軒池 , 柴壽江 , 王浩然 , 陳 晨 , 李嘉慶

(西北民族大學 化工學院 , 甘肅 蘭州 730124)

傳統的污水處理技術難以使有機污染物得到充分降解,而光催化技術可以通過光照激活半導體材料,從而達到有效降解有機污染物,且不會產生二次污染[1]。

光催化技術的關鍵是具有光響應性材料,半導體材料是目前常用作光催化劑的材料之一。氧化銅是一種常見的p型半導體,具有帶隙較窄、光吸收范圍較寬特點,在光催化領域有著廣泛的應用[2]。但單一的氧化銅光生電子與光生空穴易復合,降低了光催化活性,限制了氧化銅在光催化領域的應用[3]。二硫化鉬作為一種典型的n型半導體,具有帶隙較窄、比表面積較大、價格便宜等優點,常用作光催化技術領域的助催化劑來降解有機污染物,與帶隙窄的二硫化鉬復合可以達到改善帶隙寬度,阻礙光生電子和光生空穴復合,提高催化劑穩定性,提高光催化劑對有機污染物降解率的效果[4]。

本文采用水熱法將二者復合并加入磁性載體四氧化三鐵得到磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料,利用SEM、紅外進行表征,研究了該材料的形貌和結構,在模擬可見光條件下測試了該材料吸附、降解四環素的性能。

1 實驗

1.1 主要原料

鉬酸銨、硫代硫酸鈉、乙二醇、聚乙二醇,國藥集團化學試劑有限公司;無水乙醇、氫氧化鈉,天津市百世化工有限公司;五水合硫酸銅,天津市科密歐化學試劑有限公司;無水乙酸鈉,天津市化學試劑一廠;六水合三氯化鐵,安陽市興亞化學試劑有限公司。以上藥品均為分析純,實驗均使用去離子水。

1.2 納米二硫化鉬的制備

將6 g鉬酸銨和12 g硫代硫酸鈉加入600 mL去離子水中,使用超聲機混合均勻,然后將懸濁液轉移至反應釜中。將反應釜放入200 ℃的烘箱中反應24 h,待冷卻至室溫后,使用去離子水和無水乙醇各洗滌沉淀物3次,并將其放入60 ℃的烘箱中干燥,最終得到納米二硫化鉬。

1.3 納米氧化銅的制備

將一定量的五水合硫酸銅固體經過溶解、定容配制成0.1 mol/L的硫酸銅溶液,并量取150 mL溶液于燒杯中。再將一定量的氫氧化鈉固體經過溶解、定容配制成4 mol/L的氫氧化鈉溶液。將盛有150 mL硫酸銅溶液的燒杯放入恒溫磁力攪拌器中,溫度為20 ℃時開始攪拌。攪拌過程中緩慢滴加配制好的氫氧化鈉溶液,直到溶液的pH值達到11,然后繼續攪拌直至沉淀完全形成。將溶液放入離心機中,分離上層的清液,并保留沉淀。使用去離子水和無水乙醇各洗滌沉淀物3次,然后將其放入60 ℃的烘箱中干燥。最后,將沉淀放入500 ℃的馬弗爐中煅燒8 h,得到納米氧化銅粉末。

1.4 磁性Fe3O4粒子的制備

準確量取40 mL的乙二醇溶液、3.60 g無水乙酸鈉、1.35 g六水合三氯化鐵,攪拌直至沉淀完全溶解。加入0.5 g聚乙二醇作為分散劑,繼續攪拌直至粉末完全溶解。將混合液倒入100 mL的反應釜中,放入200 ℃的烘箱中反應10 h,待冷卻至室溫后,使用去離子水和無水乙醇各進行離心洗滌3次。使用磁鐵將沉淀物進行分離,并將其放入60 ℃的烘箱中干燥,即可得到Fe3O4。

1.5 MoS2/CuO/Fe3O4復合材料的制備

在磁力攪拌器中,將一定量的二硫化鉬溶解在40 mL的去離子水中。然后按照質量比1∶1的比例將氧化銅加入到溶液中,并在磁力攪拌器中攪拌30 min,得到含有二硫化鉬和氧化銅的懸浮液。將上述懸浮液轉移到100 mL的反應釜中,放入200 ℃的烘箱中反應24 h。待冷卻至室溫后,使用去離子水和無水乙醇各進行離心洗滌3次,并將其放入60 ℃的烘箱中干燥,可得到MoS2/CuO復合材料。

另外,量取40 mL的去離子水,加入0.5 g的四氧化三鐵,進行超聲處理1 h,得到四氧化三鐵的懸濁液。將MoS2/CuO復合材料加入到懸濁液中,并進行超聲處理使其混合均勻,然后將混合液轉移到100 mL的反應釜中。將反應釜放入180 ℃的烘箱中反應12 h,待冷卻至室溫后,使用去離子水和乙醇各洗滌3次,然后放入60 ℃的烘箱中干燥。最后,將樣品放入500 ℃的馬弗爐中煅燒3 h,可得到磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料。

1.6 測試與表征

采用EVO18型掃描電鏡,加速電壓為0.2～30 kV。紅外光譜測試采用中西ZXJ供傅里葉變換紅外光譜儀,型號GD26-FTIR-650,溫度15 ℃,相對濕度在65%左右。采用XPA-7型光催化反應器對光催化材料進行催化性能測試;超聲波采用KQ5200B型數控超聲波清洗器,頻率30～45 Hz。

2 結果與討論

2.1 SEM分析

圖1為磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料的放大10萬倍和20萬倍SEM相圖。

圖1 磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料的SEM相圖

由圖1可以看出,MoS2的形貌呈不規則的片層狀,長度在800 nm左右;CuO、Fe3O4的形貌均呈球狀,且均勻地分布在MoS2的片層狀結構上,說明CuO、Fe3O4完成了負載化,均已負載到MoS2上。使光催化材料的理化性能得到了改善。

2.2 紅外光譜分析

磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料紅外光譜見圖2。

圖2 磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料紅外光譜

由圖2可知,MoS2的紅外特征峰在波數1 635 cm-1處。另外,圖2中還顯示了CuO的特征吸收峰在波數940 cm-1附近,這對應著CuO中Cu—O的伸縮振動。另外,580 cm-1處的特征峰對應著Fe3O4中Fe—O的伸縮振動。結果表明,MoS2、CuO和Fe3O4三種材料很好地復合在一起,并且復合后的材料具有良好的結構和光催化性能。

2.3 光催化性能測試

量取30 mg光催化劑和50 mL濃度為50 mg/L的四環素溶液進行性能測試。圖3為磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料吸附降解四環素及其光催化性能曲線。

圖3 磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料吸附降解四環素

由圖3可知,在暗反應進行吸附30 min時,MoS2、CuO、磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料對四環素的吸附率分別為29.94%、20.01%、52.83%。光催化降解60 min時,不加入光催化劑四環素自身降解率為16.69%,MoS2、CuO、磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料對四環素的吸附率分別為76.46%、66.35%、91.42%。由此可見,將單一的光催化進行復合后,吸附性能和光催化性能均有極大提升。

3 結論

本實驗復合得到的磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料。經過SEM相圖、紅外光譜分析可知,CuO、Fe3O4均勻地分布在MoS2的片層狀結構上,三種材料復合效果良好。Fe3O4作為磁性載體,與MoS2和CuO復合后,起到分離回收光催化劑的作用,使光催化劑可以通過磁場進行回收。經過光催化性能測試可以看出,MoS2作為助催化劑與CuO共同起到光催化作用,光催化性能與MoS2或者CuO單獨作為光催化劑降解四環素時相比有了很大提高,磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料具有良好的吸附性能和光催化性能。經過30 min的暗反應吸附,在可見光照射下的60 min光催化反應對濃度為50 mg/L的四環素吸附率可達91.42%。

綜上所述,磁性MoS2/CuO/Fe3O4復合材料在光催化降解有機污染物領域具有廣泛的應用前景。該材料具有優良的吸附性能和光催化性能,并可以通過磁場進行分離和回收。對于深入研究光催化降解有機污染物領域具有重要意義,有助于促進光催化技術在有機污染物處理領域的推廣和產業化應用。