[发明专利]一种铜掺杂Fe3O4磁性复合纳米材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于磁性纳米材料的合成及水处理应用领域，具体涉及一种铜掺杂Fe₃O₄磁性复合纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

化学氧化法，特别是以Fenton试剂为代表的高级氧化技术，是治理难生物降解的有机污染物的重要方法。但传统均相Fenton反应体系在实际应用中存在很多问题，如pH值应用范围较窄(～3)，H₂O₂利用率不高，容易形成铁泥二次污染等。以Fe₃O₄磁性纳米颗粒为代表的多相Fenton体系有望弥补传统均相Fenton反应的不足，特别是减小水溶液中铁离子的浸出量，消除对环境的二次污染，并实现对催化剂的循环再利用。研究表明普通Fe₃O₄磁性纳米颗粒活化H₂O₂的能力非常有限，为了使有机污染物发生一定程度的降解，体系中往往需要加入大量过剩H₂O₂(如通常比污染物浓度0.02-3mM高出2-4个数量级)，且反应时间较长(3-6h)，因此有必要进一步提高Fe₃O₄磁性纳米颗粒的催化性能(Chemosphere2008,73,1524-1528；JournalofHazardousMaterials2009,167,560-566；AppliedCatalysisB:Environmental2009,89,432-440；JournalofMolecularCatalysisA:Chemical2011,349,71-79；JournalofMolecularCatalysisA:Chemical2013,371,94-103)。

通过掺杂有望提高Fe₃O₄的催化性能。在Fe₃O₄中掺杂Cr、V、Mn、Co、Bi、Ti等金属元素的催化性能已有文献报道(JournalofHazardousMaterials2006,129,171-178；AppliedCatalysisB:Environmental2008,84,468-473；AppliedCatalysisB:Environmental2010,97,151-159)，但对铜掺杂Fe₃O₄磁性复合材料的催化性能报道很少。仅有少量关于铜掺杂Fe₃O₄磁性复合材料对吸附砷的报道，如专利CN104437344A采用溶剂热法合成了铜掺杂Fe₃O₄磁性复合纳米材料，对水体中的五价砷和三价砷表现出优异的吸附及再生吸附性能。但采用溶剂热法合成铜掺杂Fe₃O₄磁性复合纳米材料时通常选用具有还原性的乙二醇作为溶剂，使Cu²⁺很难掺杂进入Fe₃O₄晶格，而更容易被还原成铜单质后沉积在Fe₃O₄颗粒表面。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜掺杂Fe₃O₄磁性复合纳米材料，其制备方法简单、成本低，有利于铜掺杂进入Fe₃O₄晶格；制备的Fe₃O₄磁性复合纳米材料室温催化降解有机废水能力强，反应速率快、用量少，且易于磁性分离回收、重复使用性能稳定，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种铜掺杂Fe₃O₄磁性复合纳米材料的制备方法，它包括以下步骤：

1)采用尿素和氢键受体配制离子型低共熔溶剂；

2)将亚铁盐和占总添加量1/3～2/3的碱源加入步骤1)所述离子型低共熔溶剂中，搅拌均匀，得混合液；

3)将铜盐和剩余碱源加入步骤2)所得混合液中，搅拌均匀，得反应液；

4)将步骤3)所得反应液置于烘箱中并加热进行反应，然后进行退火冷却并磁性分离收集所得固体颗粒，最后经洗涤、干燥，即得所述的铜掺杂Fe₃O₄磁性复合纳米材料。

优选的，所述氢键受体和尿素的摩尔比为1:2。

上述方案中，所述氢键受体为氯化胆碱或甜菜碱。