一種碳微球基多點負載異質結構材料的製備方法與流程
2023-10-05 22:56:59 1
本發明屬於生態環境材料製備技術領域，具體涉及一種碳微球基多點負載異質結構材料的製備方法。
背景技術：
環境與能源是人類賴以生存和發展的基礎。
隨著人類現代化進程的加快，核能的發展越來越受到眾多國家的重視。根據世界核能協會的數據，截止2016年1月1日，全球在運核電反應堆共439座，總裝機共計38.25萬兆瓦，在建反應堆66座，裝機容量達7.03萬兆瓦，擬建設核電反應堆為158座，裝機容量為17.92萬兆瓦。我國也明確提出了大力發展核電的政策，預計到2020年，我國核電裝機容量佔總發電量的比重將從目前的不到2％提高到7％左右。核能事業的迅速發展，對核燃料的供給能力和乏燃料處理能力帶來巨大的挑戰。
鈾既是核燃料的主要成分又是乏燃料後處理的關鍵放射性核素之一。從乏燃料中分離鈾，既可以充分利用有限的鈾資源，又可以降低後續處理難度，減少處理處置費用。此外，勘探、開採、冶煉等涉鈾操作過程都會產生含鈾廢水，可能導致環境汙染。如果鈾在環境中大量累積，作為兼有化學毒性和放射性毒性的重金屬，可能改變環境本底輻射，造成物種基因畸變，對人類的生存和發展構成潛在的威脅。此外，由於核電迅猛發展，鈾需求量劇增，陸地鈾資源不足的問題擺在了人們面前。而海水中的鈾含量十分豐富，多達45億噸，是已知陸地鈾礦儲量的約4500倍，海水有可能成為將來人類所需核燃料鈾的主要來源。
因此，從水體中分離、富集、固化以及回收鈾具有非常重要的現實意義。大多時候，水溶液中的鈾以六價形態(UO22+)存在，目前人們大多採用化學沉澱、吸附、萃取、生物修復、反滲透法等進行處理。其中的吸附法高效、直接、工藝成熟，廣泛用於重金屬廢水的處理。近二十年來，光催化還原處理鈾(VI)溶液也作為一類簡單而經濟的方法得到廣泛研究，它不僅可以解決其放射性汙染環境的問題，而且還可以控制乏燃料後處理過程中放射性核素的價態，從而實現鈾資源的固化、回收。所以，發展一類兼具吸附和光催化還原鈾(VI)的新途徑將具有重要的學術意義、社會效益和經濟效益。
碳微球作為一類製備成本低、製備方法多樣的碳材料，其對水溶液中的鈾(VI)有特別好的吸附作用及一定的選擇性，而基於碳微球製備多點負載半導體納米顆粒形成異質結構材料，只是在碳微球的多點位置引入半導體的納米顆粒形成異質結構，大部分裸露的位置仍可發揮很好的吸附作用，為光催化提供相對富集的被處理物濃度；被處理物被光催化作用後，濃度降低，又可以吸附更多的被處理物，從而達到吸附和光催化作用的耦合增強。這一技術少見公開報導。因此，研究和開發一種碳微球基多點負載異質結構材料的製備方法具有重要的科學意義和現實意義。
技術實現要素：
為解決以上技術問題，本發明的目的在於提供一種工藝簡單、製備條件溫和、具有吸附和光催化還原協同效應的碳微球基多點負載異質結構材料的製備方法。
本發明目的是這樣實現的：一種碳微球基多點負載異質結構材料的製備方法，其關鍵在於按照如下步驟進行：
步驟1：以葡萄糖為碳源，水熱法製備碳微球；
步驟2：配製醋酸鉛溶液；
步驟3：將步驟1所得碳微球分散到步驟2所制醋酸鉛溶液中，磁力攪拌；
步驟4：將步驟3中的固體物質離心分離，得到濾餅；
步驟5：將步驟4中的濾餅用無水乙醇和去離子水各洗滌一次；
步驟6：將步驟5中得到的洗滌產物分散到鉬酸鈉溶液中，磁力攪拌；
步驟7：將步驟6所得粗產品分離、洗滌和乾燥，即得目標產物碳微球基多點負載異質結構材料。
上述步驟1～2中所述藥品葡萄糖和鉬酸鉛的純度不低於化學純。
在上述步驟2中溶液所用溶劑為乙二醇和去離子水混合物。
上述步驟3中的磁力攪拌時間不低於10小時。
上述步驟5中無水乙醇和去離子水的用量分別不低於濾餅體積的20倍。
上述步驟6中磁力攪拌時間不低於10分鐘。
上述步驟7中固體物質分離後，採用去離子水、無水乙醇、丙酮交替洗滌，乾燥後即得碳微球基多點負載異質結構材料。
上述步驟7中去離子水、無水乙醇、丙酮的用量分別以所洗滌濾餅為標誌物，去離子水、無水乙醇、丙酮與洗滌濾餅的質量比為20∶20∶20∶1。
上述步驟7中，交替洗滌次數為3～6次；所述乾燥溫度為60～80℃，乾燥時間為4～8h。
在上述步驟2中，醋酸鉛溶液的濃度為0.1M。
本發明的有益效果在於：
1、本發明實現了基於碳微球和半導體納米顆粒間的「一核多點」新穎異質結構，並提供了這一新穎結構的製備方法，為生態環境材料的多功能耦合提供了一種新的思維。本發明的多點負載異質結構材料不同於核殼結構，在保留碳微球良好吸附性的同時引入半導體納米顆粒的光催化還原性，吸附和光催化還原相互促進。
2、本發明採用簡單常見的化學藥品為反應原料，在製備過程中不產生有毒副產物，對環境汙染小，是一種環保型合成工藝。
3、本發明所得產品適用性強，可用於水溶液中的有機物、重金屬離子，特別是鈾(VI)等的吸附和光催化降解(還原)。
簡而言之，本發明工藝簡單，整個製備體系容易構建，操作簡便，條件易控，成本低廉，目標產物具有吸附性、光催化還原性、吸附-光催化還原協同效應等良好性能，可用於染料廢水、重金屬離子廢水、鈾礦冶廢水等生態環境治理和海水提取鈾(VI)等領域。
附圖說明
圖1所示為本發明實施例製得的鉬酸鉛納米顆粒多點負載碳微球所形成的異質結構材料XRD圖；
圖2所示為本發明實施例所得產物的TEM圖。
具體實施方式
實施例1：
(1)碳微球製備：分別稱取0.1g十六烷基三甲基溴化銨和3g葡萄糖，溶解於37.5ml蒸餾水中，磁力攪拌30分鐘後轉移入50ml水熱反應釜中，將水熱反應釜置於烘箱內，在160℃下保溫20小時，冷卻至室溫後用蒸餾水、無水乙醇和丙酮交替洗滌6次，烘乾後留存供後續使用。
(2)取60mg碳微球分散於20mL0.1M的醋酸鉛溶液中，磁力攪拌20小時，離心過濾固體物質，分別用無水乙醇和去離子水各洗滌一次，將洗滌後物質分散於10mL0.1M的鉬酸鈉溶液中，磁力攪拌10分鐘後得粗產品，將粗產品分離、洗滌和乾燥，即得目標產物碳微球基鉬酸鉛納米顆粒多點負載異質結構材料。
圖1所示為本發明實施例製得碳微球基鉬酸鉛納米顆粒多點負載異質結構材料的XRD圖，所得峰為鉬酸鉛晶體的衍射峰。圖2所示為本實施例產物的透射電子顯微鏡(TEM)照片，照片顯示所得產物為球形異質結構材料。
實施例2：
(1)碳微球製備：分別稱取0.1g十六烷基三甲基溴化銨和3g葡萄糖，溶解於37.5ml蒸餾水中，磁力攪拌30分鐘後轉移入50ml水熱反應釜中，將水熱反應釜置於烘箱內，在160℃下保溫20小時，冷卻至室溫後用蒸餾水、無水乙醇和丙酮交替洗滌6次，烘乾後留存供後續使用。
(2)取60mg碳微球分散於20mL0.1M的醋酸鉛溶液中，磁力攪拌10小時，離心過濾固體物質，分別用無水乙醇和去離子水各洗滌一次，無水乙醇和去離子水的用量分別不低於濾餅體積的20倍；將洗滌後物質分散於10mL0.1M的鉬酸鈉溶液中，磁力攪拌10分鐘後得粗產品，將粗產品採用去離子水、無水乙醇、丙酮交替洗滌，去離子水、無水乙醇、丙酮的用量分別以所洗滌濾餅為標誌物，去離子水、無水乙醇、丙酮與洗滌濾餅的質量比為20∶20∶20∶1，交替洗滌次數為3～6次；乾燥，乾燥溫度為60～80℃，乾燥時間為4～8h，即得目標產物碳微球基鉬酸鉛納米顆粒多點負載異質結構材料。
本發明工藝簡單，整個製備體系容易構建，操作簡便，條件易控，成本低廉，目標產物具有吸附性、光催化還原性、吸附-光催化還原協同效應等良好性能，可用於染料廢水、重金屬離子廢水、鈾礦冶廢水等生態環境治理和海水提取鈾等領域。
本文雖然已經給出了本發明的實施例，但是本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明精神的情況下，可以對本文的實施例進行改變。上述實施例只是示例性的，不應以本文的實施例作為本發明權利範圍的限定。