碳点辅助合成多组分铁基纳米复合材料的制备方法
阅读说明：本技术 碳点辅助合成多组分铁基纳米复合材料的制备方法 (Preparation method of carbon-point-assisted synthesis multi-component iron-based nanocomposite ) 是由 胡胜亮 李世嘉 常青 李宁 薛超瑞 杨金龙 于 2021-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种碳点辅助合成多组分铁基纳米复合材料的制备方法,该方法将CDs作为一个强大的平台,与特定的前驱体/添加剂同时进行多种化学反应,凭借其表面反应活性,CDs在高温下主导铁离子向零价铁的转化,同时,零价铁与硫酸根和氨气反应形成新的相结构。本发明公开的碳点辅助合成多组分铁基纳米复合材料的制备方法中,所有的化学反应和成核过程都局限在CDs表面,可以有效抑制CDs之间晶核的生长和团聚,所得到的多组分铁基纳米复合材料可以同时活化H-(2)O-(2)和PS,可以不需要任何能源消耗的情况下,有效降解四环素类抗生素类染物。(The invention provides a preparation method of a carbon-point-assisted synthesis multi-component iron-based nanocomposite, which takes CDs as a powerful platform to simultaneously carry out multiple chemical reactions with a specific precursor/additive, and by virtue of the surface reaction activity of the CDs, the CDs lead the conversion of iron ions to zero-valent iron at high temperature, and simultaneously, the zero-valent iron reacts with sulfate radicals and ammonia gas to form a new phase structure. The invention discloses a preparation method of a carbon-point-assisted synthesis multi-component iron-based nanocompositeIn the method, all chemical reactions and nucleation processes are limited on the surfaces of CDs, the growth and agglomeration of crystal nuclei among CDs can be effectively inhibited, and the obtained multi-component iron-based nanocomposite can simultaneously activate H 2 O 2 And PS can effectively degrade tetracycline antibiotic pollutants without any energy consumption.)
技术领域
本发明属于新材料领域，具体涉及一种碳点辅助合成多组分铁基纳米复合材料的制备方法。
背景技术
纳米复合材料将两个或更多不同的组件组合在一个纳米系统上，代表了一种自下而上的设计策略，用于设计性能更优以及多功能集成的先进结构。这样的性能源自于不同材料的融合。尽管已经合成多种的纳米复合材料，其中的组合和协同效应已经在其光学、电子和催化性能方面得到了证实，但制备具有多组分以及可控形貌尺寸的杂化材料仍然是当前研究的难点和热点。
作为一种无毒元素量子点，碳点(CDs)在生物成像、药物传递、传感器、功能材料、污染物降解和催化等领域的应用日益受到人们的关注，碳点的日益普及也可以通过其快速、简便和廉价的合成路线、大规模生产的可扩展性以及可调节的表面结构来验证。通常，CDs由含氧和/或含氮基团包围的石墨芯组成，这赋予它与周边环境独特的化学行为，这些化学行为包括识别/结合、反应性和氧化还原性等。例如，通过CDs表面活性基团不同的亲和力，特定的CDs被用来设计探针，可以灵敏和选择性地检测各种金属离子，如Fe2+/3+，Cu2+，Hg2 +，Pb2+等。这些金属离子通常通过表面吸附和电子/能量转移引起CDs荧光的变化。此外，CDs的电子给体能力使其在光照射或水热反应条件下将贵金属或铜盐还原为元素金属。因此，CDs作为耦合组件出现，通过协同作用以构建具有超越单个组件特性的混合纳米结构。而且，CDs可以在高温下通过表面基团反应拼接成二维(2D)碳纳米片，从而有效地防止表面形成晶核在其他方向上的生长和聚集。通过这种方法，各种碳基杂化材料有望被设计成具有优异稳定性和活性的新型结构。除了作为异质形核剂和载体的基本作用之外，CDs的反应活性还有可能促进纳米复合材料形成多组分以促进其催化性能。
发明内容
为进一步提高纳米复合材料的催化性能，本发明采用的技术方案是：
碳点辅助合成多组分铁基纳米复合材料的制备方法，采用以下步骤：
步骤1将0.1～0.15g碳点粉末和0.2224～0.3336g硫酸亚铁加入到20mL去离子水中，在25℃～35℃、频率20～30KHz环境下超声分散0.5～1h，得到碳点-硫酸亚铁混合溶液；
步骤2将20～40mL体积浓度为25v/v％的氨水加入到步骤1获得的碳点-硫酸亚铁混合溶液中，并在25℃～35℃、频率20～30KHz环境下超声分散0.5～1h，然后将上述超声分散后的混合溶液放入电热鼓风干燥箱中，在70～90℃环境下烘干，得到深褐色固体；
步骤3将步骤2得到的深褐色固体在研钵中充分研磨0.25～0.5h，得到深褐色粉末；
步骤4将步骤3研磨得到的深褐色粉末置于管式炉中，在700～900℃、氩气保护下煅烧2～4h，管式炉的升温速率为5～10℃/min，氩气流量为20～40sccm，然后将管式炉自然冷却到室温，最终得到多组分铁基纳米复合材料。
所述CDs粉末依据专利ZL201610534465.4公开的利用煤质沥青制备多色发光可调碳点的方法，采用甲酸与双氧水选择性刻蚀煤沥青获得。
将所述硫酸亚铁替换为硫酸镍盐、硫酸钴盐，可以实现多组分镍基、钴基等纳米复合材料的制备。
所述硫酸亚铁可以用硫酸铁替代。
碳点辅助合成多组分铁基纳米复合材料的制备方法中，所有的化学反应和成核过程都局限在CDs表面，可以有效抑制CDs之间晶核的生长和团聚，所得到的多组分铁基纳米复合材料可以同时活化H2O2和PS，可以不需要任何能源消耗的情况下，有效降解四环素类抗生素类染物。
附图说明
图1为本发明合成多组分铁基纳米复合材料的X射线衍射图谱；
图2为本发明合成多组分铁基纳米复合材料的拉曼光谱；
图3为本发明合成多组分铁基纳米复合材料的高分辨透射电镜照片；
图4为本发明合成多组分铁基纳米复合材料的高分辨透射电镜照片；
图5为本发明合成多组分铁基纳米复合材料N2吸附-脱附等温曲线；
图6为本发明合成多组分铁基纳米复合材料活化H2O2降解四环素(TC)的反应速率图。
图7为本发明合成多组分铁基纳米复合材料活化PS和H2O2+PS降解四环素(TC)的反应速率图。
具体实施方式
以下结合附图介绍本发明详细技术方案：
碳点辅助合成多组分铁基纳米复合材料的制备方法，采用以下步骤：
步骤1将0.1～0.15g碳点粉末和0.2224～0.3336g硫酸亚铁加入到20mL去离子水中，在25℃～35℃、频率20～30KHz环境下超声分散0.5～1h，得到碳点-硫酸亚铁混合溶液；
步骤2将20～40mL体积浓度为25v/v％的氨水加入到步骤1获得的碳点-硫酸亚铁混合溶液中，并在25℃～35℃、频率20～30KHz环境下超声分散0.5～1h，然后将上述超声分散后的混合溶液放入电热鼓风干燥箱中，在70～90℃环境下烘干，得到深褐色固体；
步骤3将步骤2得到的深褐色固体在研钵中充分研磨0.25～0.5h，得到深褐色粉末；
步骤4将步骤3研磨得到的深褐色粉末置于管式炉中，在700～900℃、氩气保护下煅烧2～4h，管式炉的升温速率为5～10℃/min，氩气流量为20～40sccm，然后将管式炉自然冷却到室温，最终得到多组分铁基纳米复合材料。
所述CDs粉末依据专利ZL201610534465.4公开的利用煤质沥青制备多色发光可调碳点的方法，采用甲酸与双氧水选择性刻蚀煤沥青获得。
将所述硫酸亚铁替换为硫酸镍盐、硫酸钴盐，可以实现多组分镍基、钴基等纳米复合材料的制备。
所述硫酸亚铁可以用硫酸铁替代。
实施例1
碳点辅助合成多组分铁基纳米复合材料的制备方法，采用以下步骤：
步骤1将0.1g碳点粉末和0.26g硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)加入到20mL去离子水中，在30℃、频率30KHz环境下超声分散1h，得到碳点-硫酸亚铁混合溶液；
步骤2将30mL体积浓度为25v/v％的氨水加入到步骤1获得的碳点-硫酸亚铁混合溶液中，并在30℃、频率30KHz环境下超声分散1h，然后将上述超声分散后的混合溶液放入电热鼓风干燥箱中，在90℃环境下烘干，得到深褐色固体；
步骤3将步骤2得到的黑色固体在研钵中充分研磨0.5h，得到深褐色粉末；
步骤4将步骤3研磨得到的深褐色粉末置于管式炉中，在900℃、氩气保护下煅烧2h，管式炉的升温速率为5℃/min，氩气流量为20sccm，然后将管式炉自然冷却到室温，最终得到多组分铁基纳米复合材料。对实施例中制得的多组分铁基纳米复合材料进行表征，测试其X射线衍射图谱，如图1所示，图谱表明，2θ为30.0°、33.9°、43.9°和53.3°的衍射峰与Fe7S8(JCPDS No.76-2308)相对应，在44.7°和65.0°处的两个衍射峰与单质Fe(JCPDSNo.87-0721)相对应，在43.6°、50.8°和74.6°的衍射峰对应于FeN0.0324(JCPDS No.75-2127)相；
测试实施例中制得的多组分铁基纳米复合材料的拉曼光谱，如图2所示，为[email protected]在1336和1580cm-1处观察到两个较宽且较弱的峰，表明样品中多孔造成了石墨化程度较差；
实施例中制得的多组分铁基纳米复合材料的高分辨透射电镜照片如图3所示，黑色核壳结构中心为单质铁，周围包裹层为Fe7S8和FeN0.0324；
实施例中制得的多组分铁基纳米复合材料的高分辨透射电镜照片如图4所示，通过测量，不同晶格条纹之间的距离为0.14nm、0.26nm和0.21nm，分别对应于Fe的(200)晶面间距，Fe7S8的(203)晶面间距和FeN0.0324(111)晶面间距；
实施例中制得的多组分铁基纳米复合材料的N2吸附-脱附等温曲线见图5，图中显示，样品比表面积达到209.39m2/g，说明形成多孔碳结构，对污染物具有优异的吸附能力；
四环素类抗生素是由放线菌产生的一类广谱抗生素，因其价格低廉并具备优异的抗炎、抗凋亡和神经保护作用，在全世界范围内得到了广泛应用。未经降解的四环素废水排放到环境中会对环境水体造成极大的污染。多组分碳基复合纳米材料可以通过活化过氧化氢(H2O2)或过硫酸纳(PS)产生羟基自由基和硫酸根自由基降解四环素(TC)类抗生素。但是，能在不同pH条件下，同时活化H2O2和PS降解四环素类抗生素的鲜有报道。
将实施例中制得的多组分铁基纳米复合材料用于降解四环素(TC)，其活化H2O2降解四环素(TC)和活化PS及H2O2+PS的反应速率图分别见图6和图7。降解实验说明，CDs可以作为一个强大的平台，与特定的前驱体/添加剂同时进行多种化学反应，凭借其表面反应活性，CDs在高温下主导铁离子向零价铁的转化，同时，零价铁与硫酸根和氨气反应形成新的相结构。所有的化学反应和成核过程都局限在CDs表面，有效地抑制了CDs之间晶核的生长和团聚。因此，实施例中制得的多组分铁基纳米复合材料以单质铁作为核心，其周围包裹着Fe7S8和FeNx成分的外壳，所得到的多组分铁基纳米复合材料可以同时活化H2O2和PS，有效降解四环素类抗生素类染物，不需要任何能源消耗。
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