水热合成法制备氧化铁微纳米棒及其光催化性能

耿 涛，沈 健，周 婕

宿州学院化学化工学院,安徽宿州，234000

近年来，随着工业生产的迅速发展，纺织、化工、制药、印染等行业每天产生大量含有毒化学品等物质的工业废水，造成污染环境，且由此造成的污染问题越来越突出[1-4]。光催化处理有机污染化学品是一种较为绿色的降解技术，具有成本低廉、二次污染较少的特点，提供了彻底消除有害污染物的途径[5-9]。Fe2O3微纳米材料作为一种新型的微纳米材料，具有较好的光催化活性、气敏性及电化学性能[10-12]。因此Fe2O3微纳米材料的研究以及应用的开发已经越来越受到研究者们的关注和重视，被广泛应用到化工领域中。

1 实 验

1.1 试剂和仪器1.1.1 实验试剂

硫酸铁(济南文竹化工有限公司，A.R.)；十六烷基三甲基溴化铵(天津乐泰化工有限公司，A.R.)；氢氧化钠(国药集团，A.R.)；无水乙醇(国药集团，A.R.)；亚甲基蓝(国药集团，A.R.)；去离子水。

1.1.2 仪器

S-4800型扫描电子显微镜(日本日立公司)；DX-2600 型X-射线衍射仪( 辽宁丹东方圆仪器有限公司)；U-3310型紫外-可见光光度计(日本日立公司)等。

1.2 Fe2O3样品的制备

A液:使用电子天平准确称量0.562 g的Fe2(SO4)3·9H2O固体溶解于装有15 mL蒸馏水的100 mL烧杯里。常温下磁力搅拌10 min。

B液:使用电子天平准确称量0.547 g的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)固体溶解于装有15 mL蒸馏水的100 mL烧杯里。常温下磁力搅拌10 min。

C液:使用电子天平准确称量0.28 g的NaOH固体溶解于装有10 mL蒸馏水的100 mL烧杯里。常温下磁力搅拌10 min。

先将B液逐滴滴进A液中，混合液颜色无明显变化。然后再将C液逐滴进A液中，混合液迅速变成砖红色。之后，再将混合液于常温下磁力搅拌10 min。最后将混合液倒入50 mL反应釜里，放入鼓风干燥箱内120 ℃反应12 h。

将反应所得沉淀物用蒸馏水洗涤三次，离心。再用无水乙醇洗涤三次，再离心。将离心后的沉淀物放入真空干燥箱，60 ℃下真空干燥24 h。干燥后的产品经过研磨后即得到橙色固体粉末。

1.3 Fe2O3样品的表征

采用XRD对微纳米Fe2O3样品进行表征，将其出峰位置与国际标准进行比对，并确定为Fe2O3材料。利用SEM对微纳米Fe2O3样品进行表征，由电镜图可知Fe2O3样品是微纳米棒状结构。

1.4 Fe2O3微纳米棒光催化降解实验

称取0.020 g Fe2O3微纳米棒样品，放在100 mL烧杯中。然后在烧杯中加入10 mg/L的亚甲基蓝溶液50 mL。并在黑暗的条件下磁力搅拌0.5 h，达到吸附平衡。在365 nm紫外光下照射，每隔0.5 h从烧杯中取出5 mL混合液，之后离心。最后用紫外-可见光谱仪检测降解后的亚甲基蓝溶液在波长为661 nm的吸光度。

在相同的条件下，做另一组空白对照实验。空白对照组不加入微纳米氧化铁光催化剂，只加入亚甲基蓝溶液。用紫外—可见光谱仪测量不同时间梯度的亚甲基蓝在波长为661 nm的吸光度。

亚甲基蓝溶液降解实验的降解率公式为：

降解率=(A0-At)/A0×100%

式中，A0表示暗反应半个小时,MB的吸光度，At表示光催化反应t小时,MB的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 Fe2O3微纳米棒的XRD表征

图1 、图2是微纳米Fe2O3的XRD表征图谱。

分析图1和图2中的曲线可知，两组图中较显著的衍射峰均在2θ为24.4°、33.4°、35.8°、41.0°、49.6°、54.2°、57.6°、62.6°、64.2°、72°、75.6°处，与氧化铁的标准卡片( JCPDS NO: 33-0064)完全一致，分别对应氧化铁的衍射晶面(012)(104)(110)(113)(024)(116)(018)(214)(300)(1010)(220)一致。随着温度的升高、反应时间的延长，Fe2O3微纳米棒的XRD衍射峰强度增强。而且XRD图谱上没有别的衍射峰，说明Fe2O3材料纯度极高，不含任何杂质。

2.2 Fe2O3微纳米棒的图

图3中a、b、c、d为120 ℃时，不同反应时间下的Fe2O3微纳米棒的扫描电镜图。其中图3a是120 ℃、8 h下的低倍扫描电镜图，图3b是120 ℃、8 h下的高倍扫描电镜图，图3c是120 ℃、12 h下的低倍扫描电镜图，图3d是120 ℃、12 h下的高倍扫描电镜图。分析图3a和3b可得，120 ℃、8 h下的微纳米Fe2O3呈棒状结构，直径约80 nm，长度约500 nm。通过观察样品的形貌特征可知，当样品合成的时间改变时，所得样品在形貌上差异较小，皆为棒状结构，直径和长度改变也不大。当反应时间为8 h时，合成出的微纳米Fe2O3材料尺寸较大，而且大小和形貌较均一，呈棒状结构。当反应12 h时，合成出的微纳米Fe2O3材料尺寸较小，可以看出形貌还是棒状结构，但是棒状结构之间出现团聚现象。

图3 120 ℃时不同反应时间下Fe2O3微纳米棒的SEM图

2.3 Fe2O3微纳米棒的光催化降解性能研究

图4为亚甲基蓝溶液在Fe2O3微纳米棒光催化下的紫外—可见光谱图。分析该图可知，在365 nm紫外灯照射下，加入微纳米Fe2O3的亚甲基蓝溶液的吸光度随着时间的延长而降低。降解时间越长，亚甲基蓝溶液的吸光度越弱。当紫外光催化降解反应进行180 min时，此时亚甲基蓝溶液的紫外—可见光谱接近为一条直线，同时混合液近似无色。

图5为亚甲基蓝溶液的降解率图，没有加入Fe2O3微纳米棒的亚甲基蓝溶液的最终降解率仅为18%，加入Fe2O3微纳米棒的亚甲基蓝的降解率高达94.68%。由此可知，Fe2O3微纳米棒具有良好的光催化性能。

图4 Fe2O3微纳米棒光催化降解亚甲基蓝的紫外吸收图谱 图5 亚甲基蓝溶液的降解率图

3 结 论

本实验通过水热合成法制得了氧化铁微纳米棒材料，微纳米棒直径约80 nm，长度约500 nm，大小较为均匀。然后，以Fe2O3微纳米棒为光催化剂，用亚甲基蓝溶液模拟污染物，在365 nm紫外光照射下进行光催化实验。实验结果可知，反应180 min后， Fe2O3微纳米棒可以光催化降解亚甲基蓝溶液，降解率达到94.68%。