一种可磁回收的铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物及制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种可磁回收的铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物及制备方法和应用 (Magnetically-recyclable cerium complex/GO/Fe3O4Ternary complex, preparation method and application ) 是由 冯思思 白羽婷 卢丽萍 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光催化降解材料领域,具体涉及一铈配合物/GO/Fe_3O_4三元复合物及其制备方法和应用。本发明首先成功制备了三维铈配合物,该配合物的结构式为[Ce_2(TCPB)_2(DMF)(H_2O)]_n,紧接着通过铈配合物和氧化石墨烯制备得到铈配合物/GO二元复合物；然后在其基础上与Fe_3O_4的粉末制备得到铈配合物/GO/Fe_3O_4-x(x＝5-30％)三元复合物,其中x代表复合材料中GO的质量百分数。实验表明,当x＝9％时,三元复合物的光催化性能最好,日光照射条件下可快速催化降解水溶液中的亚甲基蓝染料,降解120min后染料溶液近无色,降解率可达90.2％,且复合材料可在pH＝3～9范围循环使用,重复使用四次后仍然具有很好的催化活性,是一种良好的降解水溶液中亚甲基蓝染料的光催化剂。(The invention relates to the field of photocatalytic degradation materials, in particular to a cerium complex/GO/Fe 3 O 4 Ternary complex and its preparation method and application. The invention firstly successfully prepares three-dimensionalA cerium complex having the structural formula [ Ce 2 (TCPB) 2 (DMF)(H 2 O)] n Then preparing a cerium complex/GO binary complex by using the cerium complex and graphene oxide; then on the basis of which it reacts with Fe 3 O 4 The powder of (A) is prepared to obtain a cerium complex/GO/Fe 3 O 4 -x (5-30%) ternary complex, wherein x represents the mass percentage of GO in the composite. Experiments show that when x is 9%, the ternary complex has the best photocatalytic performance, methylene blue dye in the aqueous solution can be rapidly catalytically degraded under the condition of sunlight irradiation, the dye solution is nearly colorless after being degraded for 120min, the degradation rate can reach 90.2%, the composite material can be recycled within the range of pH 3-9, and the composite material still has good catalytic activity after being repeatedly used for four times, so that the composite material is a good photocatalyst for degrading the methylene blue dye in the aqueous solution.)
技术领域
本发明涉及光催化降解材料领域，具体涉及一种可磁回收的铈配合物/氧化石墨烯/四氧化三铁三元复合物及其制备方法，以及该复合物在水溶液中光催化降解有机染料亚甲基蓝的应用。
背景技术
随着社会和工业的发展，染料的应用范围日益广泛，其污染也成为重要的环境问题，因此其处理技术成为急需探索的问题。目前吸附和降解被认为是处理这类问题的高效手段之一。金属有机配位聚合物，简称金属有机配合物(CPs)是由无机金属离子和有机配体构成的一种新型无机-有机杂化材料，由于具备多样和易调控的结构、可调节的表面活性位点以及大的孔隙及比表面积等优势，CPs在吸附、荧光、催化、化学传感等领域得到了广泛的应用。在环境修复方面，CPs作为一种新型光催化材料已被广泛关注。然而，催化过程中光生电子与空穴不能有效分离，容易复合，催化活性差；以及催化剂难以回收等问题使CPs在该领域内的应用受到限制。因此，寻找一种快速、有效降解污染物并易于回收的光催化剂是光降解研究领域的核心任务。
发明内容
首先针对光生电子-空穴对的快速复合，我们提出了一种有效解决策略，即将CPs与氧化石墨烯(GO)复合，可以明显促使光生电荷的传输并有效降低光生载流子的复合率，改善CPs的光催化性能。另一方面，针对目前使用的光催化剂降解染料后，由于粉末难以回收易造成浪费及二次污染，我们在CPs与GO的复合材料中加入Fe3O4磁性纳米粒子，使得该三元复合物在光催化反应后易于回收分离。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
本发明提供一种铈配合物，结构简式为[Ce2(TCPB)2(DMF)(H2O)]n，其中n表示聚合；该铈配合物的结构式为：
该铈配合物的晶体属于三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为： α＝72.622(1)°，β＝85.278(1)°，γ＝80.859(1)°。
该铈配合物的不对称结构单元包含一个中心金属离子Ce3+，一个TCPB3-有机去质子配体,半个配位DMF分子和半个配位水分子。每个Ce3+离子分别与两个TCPB3-配体上的七个氧原子和一个DMF分子(或一个水分子)上的一个氧原子配位，形成八配位十二面体，Ce-O的键长范围为该配合物具有空间三维结构。首先，相邻的Ce3+单元通过TCPB3-的羧基以syn-syn模式沿a轴方向连接形成一维链状结构，随后再通过配体TCPB3-相互连接形成三维网络结构。X射线粉末衍射证实晶体样品晶相均一稳定。
本发明提供一种可磁回收的铈配合物/氧化石墨烯(GO)/四氧化三铁(Fe3O4)三元复合物，通过如下步骤的方法制备得到：
步骤1，铈配合物的制备：将Ce(NO3)3·6H2O和1,3,5-三(4-羧基苯氧基)苯按摩尔比1：1加入聚四氟乙烯反应釜内衬中，再按体积比2：3：2依次加入蒸馏水、N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇，室温下搅拌30min，将其封存在不锈钢反应釜中，在可控温烘箱中120℃反应72h，反应后自然冷却至室温，得到无色块状晶体，用蒸馏水洗涤后真空干燥，获得铈配合物；
步骤2，铈配合物/GO二元复合物的制备：将步骤1所得铈配合物和GO按质量比1～9:1分别分散在3mL和10mL的乙醇中，超声15min，将GO分散液加入铈配合物的分散液中，回流反应4h，反应后烘干即得到铈配合物/GO二元复合物；
步骤3，铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物的制备：将步骤2所得铈配合物/GO二元复合物与Fe3O4粉末按质量比5：6分散在1mL乙醇中，超声1h，5000rpm离心15min，收集固体，即得到铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物。
进一步，铈配合物/GO/Fe3O4-9三元复合物的的光催化性能最好，即复合材料中GO的质量百分数为9％时，三元复合物的的光催化性能最好。
优选的，从催化效果来看，所述步骤2中铈配合物与GO的较佳质量比范围为3～5:1。
优选的，从催化效果来看，所述步骤2中铈配合物与GO的最佳质量比4:1。
本发明提供的一种可磁回收的铈配合物/氧化石墨烯/四氧化三铁三元复合物的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，铈配合物1的制备：将Ce(NO3)3·6H2O和1,3,5-三(4-羧基苯氧基)苯按摩尔比1：1加入聚四氟乙烯反应釜内衬中，再按体积比2：3：2依次加入蒸馏水、N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇，室温下搅拌30min，将其封存在不锈钢反应釜中，在可控温烘箱中120℃反应72h，反应后自然冷却至室温，得到无色块状晶体，用蒸馏水洗涤后真空干燥，获得铈配合物；
步骤2，铈配合物/GO二元复合物的制备：将步骤1所得铈配合物和GO按质量比1～9:1分别分散在3mL和10mL的乙醇中，超声15min，将GO分散液加入铈配合物的分散液中，回流反应4h，反应后烘干即得到铈配合物/GO二元复合物；
步骤3，铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物的制备：将步骤2所得铈配合物/GO二元复合物与Fe3O4粉末按质量比5：6分散在1mL乙醇中，超声1h，5000rpm离心15min，收集固体，即得到铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物。
优选的，从催化效果来看，所述步骤2中铈配合物与GO的较佳质量比范围为3～5:1。
优选的，从催化效果来看，所述步骤2中铈配合物与GO的最佳质量比4:1。
本发明提供一种可磁回收的铈配合物/氧化石墨烯/四氧化三铁三元复合物的应用，用于处理亚甲基蓝染料废水。
进一步，所述三元复合物应用于处理亚甲基蓝染料废水的具体过程为：将三元复合物按3mg/20mL加入到初始浓度为10mg L-1的亚甲基蓝染料废水溶液中，先在黑暗条件下搅拌30min，然后进行日光照射，加入过氧化氢，在pH值为3～9，温度为30～50℃的条件下继续搅拌120min，使三元复合物充分光催化降解亚甲基蓝，完成染料的光催化降解后，通过设置外加磁场将三元复合物分离出来。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
(1)本发明所制备的铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物可作为光催化剂对MB染料进行有效降解。实验结果表明，当铈配合物与GO的质量比为4:1，即铈配合物/GO/Fe3O4-9的光催化性能最好，在常温、日光照射下可快速催化降解水溶液中的亚甲基蓝染料，120分钟染料溶液近无色，降解率可达90.2％，且催化剂的光催化活性在连续四次回收降解MB过程中没有明显的变化，表明铈配合物/GO/Fe3O4光催化剂具有较高的稳定性，可用于MB染料的重复处理。
(2)本发明的铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物中金属铈配合物是在溶剂热条件下合成得到，三元复合物通过超声制备，制取工艺简单，产率及纯度高，复合物的热稳定性及水稳定性良好。用于污水处理等领域，光催化降解活性高，能在较短的时间内快速而且高效降解污染物MB。
(3)本发明的三元复合物在光催化降解染料废水中的MB染料之后易于实现磁性分离回收，不会造成二次污染，可重复使用多次，具有很大的应用前景。
附图说明
图1本发明铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物中金属铈配合物的晶体结构图(为了清晰，图中省略了H原子)。图中对称操作代码：A＝1-x,1-y,2-z；B＝1+x,y,z；C＝-x,1-y,2-z；D＝x,y,1+z；E＝1-x,1-y,1-z；F＝-1+x,-1+y,-1+z；G＝-1+x,y,1+z；H＝2-x,1-y,1-z；I＝2-x,2-y,1-z。
图2本发明铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物中铈配合物在298K的X射线粉末衍射图(实验及模拟图)。
图3本发明铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物及其构成组分的X-射线粉末衍射图。
图4本发明铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物及其构成组分的红外光谱图。
图5实施例2中三元复合材料的扫描电镜图。
图6实施例2中三元复合材料的紫外可见漫反射图。
图7本发明不同氧化石墨烯含量的三元复合物光催化降解MB对比图。
图8实施例2中三元复合材料及其构成组分在可见光照射下光催化降解MB对比图。
图9实施例2中三元复合材料对不同有机染料的降解图。
图10初始pH对实施例2中三元复合材料光催化降解MB的影响。
图11实施例2中三元复合材料光催化降解MB的重复利用性。
图12实施例2中三元复合材料催化染料MB前后对比图，及其磁回收性。
图13实施例2中三元复合材料光催化降解MB前后的粉末衍射对比图。
图14实施例2中三元复合材料光催化降解MB前后的红外光谱对比图。
图15实施例2中不同清除剂对铈配合物/GO/Fe3O4三元纳米复合材料在可见光照射下对MB光降解的影响。
图16实施例2中三元复合材料的光致发光测试图。
图17实施例2中三元复合材料的电化学阻抗测试图。
其中，所有图中数字“1”代表铈配合物。
具体实施方式
以下实施例中的铈配合物/GO/Fe3O4-x三元复合物，其中x代表复合材料中GO的质量百分数，实施例1-4制备的三元复合物铈配合物/GO/Fe3O4-x，x分别为5，9，15，22。
实施例1
1.铈配合物的制备：
分别称取Ce(NO3)3·6H2O(35.3mg,0.1mmol)和H3TCPB(48.6mg,0.1mmol)置于23mL聚四氟乙烯反应釜内衬中，并加入2mL蒸馏水，3mL DMF和2mL无水乙醇，室温条件下搅拌30min后，将其封存在不锈钢反应釜中，在120℃的可控温烘箱中恒温反应72小时后，自然冷却至室温，得到满足X-射线测试要求的无色块状晶体，用蒸馏水不断净洗并干燥后即为所需铈配合物，产率为42％。
2.铈配合物的结构测定：
将步骤1所得铈配合物晶体样品固定在Bruker SMART 1000 CCD面探衍射仪上，以石墨单色器MoKα为辐射光源，收集样品对波长为的X-射线衍射数据。以ω扫描方式，衍射数据经LP因子和经验吸收校正。全部X-射线衍射图还原为衍射指标后，用SHELXTL-NT 5.10版程序包，直接法确定X-射线衍射强度的位相，初始结构经全矩阵最小二乘法做数轮修正，找出全部非氢原子坐标，确认残余峰不再有非氢原子后，做各向异性温度因子处理。C原子采用理论加氢，水分子中O原子上的氢由差值Fourier合成给出， 并固定在母原子上。详细的晶体测定数据见表1。结构见图1。
表1铈配合物的晶体学数据
3.铈配合物的粉末衍射测定(PXRD)：
使用德国Bruker公司D8型测试仪测试，测试条件：放射源为Cu-Kα，扫描速率2/min，扫描范围5～60°。
X-射线粉末衍射结果表明，晶体样品物相均一，实验衍射图谱与依据晶体结构模拟的粉末衍射图谱一致，见图2。
4.三元复合物的制备：
首先将100mg的铈配合物分散在3mL乙醇中，超声处理15min。将12mg的GO分散在10mL乙醇中，超声处理15min后加入到上述分散液中，回流4h后烘干，得到铈配合物/GO二元复合物；将5mg的铈配合物/GO二元复合物与6mg Fe3O4的粉末分散在1mL乙醇中并超声1h，5000rpm离心15min，收集得到铈配合物/GO/Fe3O4-5三元复合材料。
实施例2
1.铈配合物的制备：方法同实施例1。
2.三元复合物的制备：
首先将80mg的铈配合物分散在3mL乙醇中，超声处理15min。将20mg的GO分散在10mL乙醇中，超声处理15min后加入到上述分散液中，回流4小时后烘干，得到铈配合物/GO二元复合物；将5mg的铈配合物/GO二元复合物与6mg Fe3O4的粉末分散在1mL乙醇中并超声1h，5000rpm离心15min，收集得到铈配合物/GO/Fe3O4-9三元磁性纳米复合材料。
实施例3
1.铈配合物的制备：方法同实施例1。
2.三元复合物的制备：
首先将40mg的铈配合物分散在3mL乙醇中，超声处理15min。将20mg的GO分散在10mL乙醇中，超声处理15min后加入到上述分散液中，回流4小时后烘干，得到铈配合物/GO二元复合物；将5mg的铈配合物/GO二元复合物与6mg Fe3O4的粉末分散在1mL乙醇中并超声1h，5000rpm离心15min，收集得到铈配合物/GO/Fe3O4-15三元磁性纳米复合材料。
实施例4
1.铈配合物的制备：方法同实施例1。
2.三元复合物的制备：
首先将20mg的铈配合物分散在3mL乙醇中，超声处理15分钟。将20mg的GO分散在10mL乙醇中，超声处理15分钟后加入到上述分散液中，回流4小时后烘干，得到铈配合物/GO二元复合物；将5mg的铈配合物/GO二元复合物与6mg Fe3O4的粉末分散在1mL乙醇乙醇中并超声1h，5000rpm离心15min，收集得到铈配合物/GO/Fe3O4-22三元磁性纳米复合材料。
实施例5
1.三元复合物的X-射线粉末衍射测定：
使用德国Bruker公司D8型测试仪测试，测试条件：放射源为Cu-Kα，扫描速率2/min，扫描范围5～60°。对实施例2制备的铈配合物/GO/Fe3O4三元复合材料的X-射线粉末衍射图谱分析如图3所示。从图3可以明显观察到复合物中包含铈配合物与Fe3O4的特征衍射峰，GO的特征峰不明显是由于GO含量较少。
2.复合物的红外光谱测定：
利用BRUKER TENSOR27光谱仪在室温下通过干燥的KBr(样品/KBr为1:100)压片测试样品的傅里叶红外光谱(FTIR)。对铈配合物，GO，Fe3O4及实施例2制备的铈配合物/GO/Fe3O4三元复合材料的红外光谱图分析如图4所示。铈配合物/GO/Fe3O4的红外光谱给出了各组分的特征振动，证实了PXRD的结果，表明三种组分在复合材料中的存在。
3.三元复合物的扫描电镜测定：
在ZEISS EVO 18扫描电子显微镜(FE-SEM)上观察了所测试样品的形貌。在观察扫面电镜图像前，将样品均匀涂于导电胶上。对实施例2制备的铈配合物/GO/Fe3O4扫描电镜如图5所示，铈配合物/GO(图5a和b)的扫描电镜图像表明，铈配合物纳米粒子和GO片通过界面接触紧密结合在一起。图5c所示，大量直径约为400nm的Fe3O4微球被负载在GO表面。从图5d中可以很容易地看到，除了在GO表面负载大量Fe3O4微球外，还负载了大量的铈配合物纳米粒子。因此，扫描电镜图证实，铈配合物/GO/Fe3O4三元复合材料成功制备。
4.三元复合物的紫外可见漫反射测定：
采用TU-1950型紫外可见分光光度计(UV-Vis DRS)以硫酸钡做基底，检测样品的光吸收性能。对实施例2制备的铈配合物/GO/Fe3O4的紫外可见漫反射分析如图6所示。铈配合物和铈配合物/GO/Fe3O4的光带隙能分别为2.49eV和2.15eV，与纯铈配合物相比，铈配合物/GO/Fe3O4三元复合材料的带隙能明显降低，即复合材料扩大了可见光吸收范围，提高了可见光利用率。光催化实验结果也表明，所合成的三元复合材料在可见光照射下具有良好的催化性能。
实施例6
铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物在水溶液中光催化降解MB有机染料
(一)GO负载量对光催化降解率的影响
在相同实验条件下，控制GO的加入比，实现GO与铈配合物的最佳协同作用，对MB的光催化降解具有重要意义。依次取4瓶10mg/L的亚甲基蓝染料溶液20mL，分别加入3mg实施例1-4中制备的铈配合物/GO/Fe3O4-x三元复合材料，(x＝5,9,15,22)，搅拌，每隔10分钟用紫外可见吸收光谱检测溶液中染料MB浓度的变化。结果如图7所示，GO的含量对铈配合物/GO/Fe3O4的光催化性能影响较大，120min时铈配合物/GO/Fe3O4-5，9，15，22的光催化降解率分别为54.8％、90.2％、64.3％和58.0％。结果表明适当增加GO含量，有利于电子空穴对的分离，光催化降解效率提高，当GO含量为9％时，光催化降解效率达到最高。但是，进一步增加GO的负载量，MB的降解率会降低，这可能是由于高负载量的GO导致铈配合物的活性中心受到阻碍。实验结果表明，实施例2制备的铈配合物/GO/Fe3O4-9为最佳催化剂，可见光照射120min后MB溶液几乎变为无色，降解率高达90.2％。
(二)不同组分对光催化降解的影响
如图8所示，复合材料铈配合物/GO/Fe3O4-9对MB的光催化性能较好，120分钟降解率可达90.2％。相同实验条件下，在没有催化剂的情况下，MB几乎不降解，表明MB在光照下相当稳定。铈配合物及Fe3O4对MB几乎无催化降解能力；而GO对MB主要为吸附作用。
(三)铈配合物/GO/Fe3O4三元复合材料对不同有机染料的催化降解研究
分别取10mg/L的亚甲基蓝(MB)、甲基橙(MO)、罗丹明B(RhB)染料溶液20mL，分别加入3mg铈配合物/GO/Fe3O4-9三元复合物，搅拌，每隔10min用紫外可见吸收光谱检测溶液中染料浓度的变化。结果如图9所示，在120min内，MO的吸收曲线基本未发生变化，而RhB和MB的吸收曲线明显降低，降解率分别为46.9％和90.2％。即铈配合物/GO/Fe3O4-9在光照条件下可催化降解染料MB和RhB，且对MB的降解率明显高于RhB。因此，本发明制备的铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物对有机染料具有高效光催化降解作用。
实施例7
pH适用范围：
考察了溶液初始pH对MB光催化效果的影响。MB初始浓度为10mg/L，通过0.1M的HCl和0.1M的KOH溶液调节MB水溶液的pH为3、5、7、9。在图10中看到，在pH＝3～9的条件下，铈配合物/GO/Fe3O4具有良好的降解效果，验证了铈配合物/GO/Fe3O4是一种可在广泛pH值范围内有效使用的材料。
实施例8
循环实验：
为了评价光催化剂在实际应用中的可行性，对铈配合物/GO/Fe3O4光催化剂的重复使用性和稳定性进行了研究。如图11所示为铈配合物/GO/Fe3O4光催化剂循环降解MB四次后，其光催化剂活性没有明显下降，说明铈配合物/GO/Fe3O4光催化剂具有较高的稳定性，可用于MB染料的重复处理；图12所示为三元复合材料的磁回收性，表明该三元复合材料可被磁回收。图13和图14的粉末衍射和红外光谱显示，本发明所制备的铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物光催化剂在使用前后，结构特征无明显变化，进一步验证了铈配合物/GO/Fe3O4作为光催化剂的优良稳定性。
实施例9
铈配合物/GO/Fe3O4三元复合材料光催化降解MB的反应机理研究
为了研究铈配合物/GO/Fe3O4复合材料的催化机理，选择硝酸银(AgNO3)，乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)和异丙醇(IPA)用于捕获可能参与MB降解的活性物种。如图15所示，加入AgNO3和EDTA-2Na后，明显抑制了MB的催化降解，表明光生电子(e-)和空穴(h+)作为光催化的氧化活性物种在反应中发挥更重要的作用。
采用FluoroMax-4型荧光光谱仪测量样品的光致发光(PL)性能。图16显示了铈配合物和铈配合物/GO/Fe3O4三元复合物的光致发光光谱，可以发现铈配合物的光致发光强度比铈配合物/GO/Fe3O4强得多，表明铈配合物/GO/Fe3O4具有较长的光生电子空穴对寿命。结合铈配合物/GO/Fe3O4样品的形貌分析，认为Ce-MOFs与GO之间的表面异质结结构可以增强光生电子空穴对的分离，即GO可以作为光催化反应中良好的电子受体，从而增强电子空穴的迁移。这种长寿命的电子空穴状态可以使铈配合物/GO/Fe3O4具有增强的光催化效果，这与光催化性能的结果是一致的。
实施例10
为了更深入地了解光诱导电荷分离和转移特性，进行了电化学阻抗谱(EIS)分析。电化学阻抗谱(EIS)测试时，以饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，被测试的催化剂材料为工作电极，以铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液为支持电解质溶液，实验过程中三电极分别与电化学工作站相连，在开路电压和频率范围为100kHz至0.01Hz的情况下进行测试。如图17所示，与铈配合物相比，铈配合物/GO/Fe3O4的EIS半径较小，说明铈配合物/GO/Fe3O4导电性能优越，GO的负载有利于提高电荷转移效率。
从电化学角度分析，当铈配合物/GO/Fe3O4受到能量大于或等于其能带隙的光子辐照时，电子从价带(VB)激发到导电带(CB)，在价带中留下空穴。同时，由于GO超薄片的存在，光激发电子可以迁移到GO，从而有效地促进了光生电子空穴对的分离。一方面，光激发空穴具有很强的氧化能力，可以直接氧化有机分子；另一方面，光激发电子可以与H2O2反应产生羟基自由基，也可被氧分子捕获，产生超氧自由基，羟基自由基和超氧自由基都具有降解MB分子的氧化能力。此外，GO片独特的超薄二维结构使得在GO表面和铈配合物/GO/Fe3O4表面的光催化反应成为可能，并提供了更多的催化中心。所以，铈配合物/GO/Fe3O4复合物在光催化氧化还原反应中表现出较高的光催化效率。