三维氮掺杂石墨烯/γ-Fe2O3/Ag复合光催化剂、制备方法和应用转让专利
申请号 : CN202110119864.5
文献号 : CN112892576B
文献日 : 2022-01-28
发明人 : 孙晓锋 , 单双 , 姚晓英 , 谢洋洋
申请人 : 西北工业大学
摘要 :
本发明公开了一种三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，涉及光催化材料技术领域。所述复合光催化剂包括三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料，及所述复合材料上负载的Ag纳米颗粒。本发明通过采用可见光响应的γ‑Fe2O3作为半导体光催化剂，以氧化石墨烯为载体，在氮掺杂及贵金属银沉积对其进行改性后，通过反应自组装得到具有三维结构的氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，该催化剂具有更大的比表面积增强了吸附作用，且电子传输效率更高，能够有效地抑制光生电子‑空穴对的复合，同时具备磁响应性，易回收循环利用。
权利要求 :
1.一种三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，其特征在于，所述复合光催化剂包括三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料，及所述复合材料上负载的Ag纳米颗粒；
所述三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂为三维网状结构；
所述氮掺杂石墨烯与所述γ‑Fe2O3颗粒的质量比为1:0.5～2；
所述Ag纳米颗粒负载量为10～30wt％；
所述三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料是通过如下制备方法制得的：将氧化石墨烯均匀分散于液体媒介中，加入尿素，混合均匀，再加入γ‑Fe2O3颗粒和十二烷基苯磺酸钠，继续混合均匀，随后于160～190℃反应10～15h，即得所述三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料。
2.根据权利要求1所述的三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，其特征在于，所述Ag粒子的粒径为20～40nm。
3.根据权利要求1所述的三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，其特征在于，所述γ‑Fe2O3颗粒的粒径长为40～55nm，宽为8～12nm。
4.根据权利要求1所述的三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，其特征在于，所述氧化石墨烯与所述尿素、γ‑Fe2O3颗粒、十二烷基苯磺酸钠的质量比为：1:50～200：0.5～2：5～10。
5.根据权利要求1所述的三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，其特征在于，所述液体媒介是由等体积的乙二醇和水溶剂配制而成。
6.一种权利要求1～5任一项所述的三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料；
将三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料均匀分散于乙二醇溶液中，在加入银盐，混合均匀后，于50～70℃反应1.5～3h，反应结束经处理后，即得所述三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂。
7.根据权利要求6所述的三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂的制备方法，其特征在于，所述银盐为硝酸银，所述三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料与所述银盐用量质量比为1:0.2～1.2。
8.根据权利要求6所述的三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂的制备方法，其特征在于，所述反应结束后是将反应物冷却至室温，过滤，用水溶剂多次清洗后，于‑30～‑
50℃冷冻干燥处理。
9.一种权利要求1～5任一所述的三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂在染料光催化降解中的应用。
说明书 :
三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂、制备方法和
应用
技术领域
[0001] 本发明涉及光催化材料技术领域，具体涉及一种三维氮掺杂石墨烯 /γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂、制备方法和应用。
背景技术
[0002] 随着人类社会的进步以及工业化的发展，能源资源日益贫乏，环境污染日益严重。作为一种取之不尽用之不竭的能源，太阳能在光诱导化学转变以及电力生产领域发挥着重
要的作用，如光催化、太阳能光伏、催化制氢和能量存储等。碳基材料，诸如碳纳米管(CNT)、
富勒烯、石墨烯、碳量子点以及石墨状六方氮化硼(BN)等，已经为开发清洁和可再生能量转
换和能量存储系统的材料开辟了新的前沿。光催化氧化技术作为一种廉价、绿色环保的有
机污染物降解技术，有望成为解决能源与环境问题的有效方法。近年来，光催化降解技术在
治理含有机物或重金属盐的废水方面也受到越来越多的关注。
要的作用，如光催化、太阳能光伏、催化制氢和能量存储等。碳基材料，诸如碳纳米管(CNT)、
富勒烯、石墨烯、碳量子点以及石墨状六方氮化硼(BN)等，已经为开发清洁和可再生能量转
换和能量存储系统的材料开辟了新的前沿。光催化氧化技术作为一种廉价、绿色环保的有
机污染物降解技术，有望成为解决能源与环境问题的有效方法。近年来，光催化降解技术在
治理含有机物或重金属盐的废水方面也受到越来越多的关注。
[0003] 自从1972年Fujishima和Honda首次发现单晶TiO2电极上的光催化水分解后，半导体光催化技术作为一种能够将太阳能转化为化学能，并且降解水中和空气中污染物的有效
方法，引起了广泛的注意与研究。研究表明，在紫外光 (UV)照射下，TiO2是环境净化的高效
光催化材料的首选，其具备长期稳定性、无毒性、成本低和环境友好性等优秀特性。然而
TiO2自身仍有一些不足之处严重影响其光催化性能，比如带隙过宽以及光生电子‑空穴载
流子的快速复合等。因此，寻求能够替代TiO2的高效半导体光催化材料也一度成为国内外
学者的研究热点。
方法，引起了广泛的注意与研究。研究表明，在紫外光 (UV)照射下，TiO2是环境净化的高效
光催化材料的首选，其具备长期稳定性、无毒性、成本低和环境友好性等优秀特性。然而
TiO2自身仍有一些不足之处严重影响其光催化性能，比如带隙过宽以及光生电子‑空穴载
流子的快速复合等。因此，寻求能够替代TiO2的高效半导体光催化材料也一度成为国内外
学者的研究热点。
[0004] 为了实现上述目的，本领域技术人员从可见光的利用率、化学稳定性、材料成本及使用寿命、有无毒性及耐腐蚀性等多方面考察半导体光催化材料，选用Fe2O3替代TiO2的半
导体光催化材料。主要是由于Fe2O3的三种晶型结构(α、β、γ)中前两者具有较高的活性，而
γ‑Fe2O3具有磁响应性，因而作为一种易分离、便于回收的半导体材料，可以很好地应用于
半导体光催化降解污染物的研究。为了有效地促进光催化过程中Fe2O3光生电荷的分离效
率，本领域技术人员选用二维的石墨烯作为光催化材料的载体，但是，所获得的复合光催化
剂的光催化活性并不理想。
导体光催化材料。主要是由于Fe2O3的三种晶型结构(α、β、γ)中前两者具有较高的活性，而
γ‑Fe2O3具有磁响应性，因而作为一种易分离、便于回收的半导体材料，可以很好地应用于
半导体光催化降解污染物的研究。为了有效地促进光催化过程中Fe2O3光生电荷的分离效
率，本领域技术人员选用二维的石墨烯作为光催化材料的载体，但是，所获得的复合光催化
剂的光催化活性并不理想。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的不足，提供一种三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂、制备方法和应用，通过采用可见光响应的γ‑Fe2O3作为半导
体光催化材料，以氧化石墨烯为载体，在氮掺杂及贵金属银沉积对其进行改性后，得到了具
有三维结构的三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，该催化剂具有更大的比表面
积增强了吸附作用，且电子传输效率更高，能够有效地抑制光生电子‑空穴对的复合，同时
具备磁响应性，易回收循环利用。
体光催化材料，以氧化石墨烯为载体，在氮掺杂及贵金属银沉积对其进行改性后，得到了具
有三维结构的三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，该催化剂具有更大的比表面
积增强了吸附作用，且电子传输效率更高，能够有效地抑制光生电子‑空穴对的复合，同时
具备磁响应性，易回收循环利用。
[0006] 本发明第一个目的是提供一种三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，所述复合光催化剂包括三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料，及所述复合材料上负载的Ag纳
米颗粒；
米颗粒；
[0007] 所述三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂为三维网状结构；
[0008] 所述氮掺杂石墨烯与所述γ‑Fe2O3颗粒的质量比为1:0.5～2；
[0009] 所述Ag纳米颗粒负载量为10～30wt％。
[0010] 优选的，所述Ag纳米颗粒的粒径为20～40nm。
[0011] 优选的，所述γ‑Fe2O3颗粒的粒径长为40～55nm，宽为8～12nm。
[0012] 优选的，所述三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料是通过如下制备方法制得的：
[0013] 将氧化石墨烯均匀分散于液体媒介中，加入尿素，混合均匀，再加入γ‑Fe2O3颗粒和十二烷基苯磺酸钠，继续混合均匀，随后于160～190℃反应10～15h，即得所述三维氮掺
杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料。
杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料。
[0014] 更优选的，所述氧化石墨烯与所述尿素、γ‑Fe2O3颗粒、十二烷基苯磺酸钠的质量比为：1:50～200：0.5～2：5～10。
[0015] 更优选的，所述液体媒介是由等体积的乙二醇和水溶剂配制而成。
[0016] 本发明第二个目的提供一种三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0017] 提供三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料；
[0018] 将三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料均匀分散于乙二醇溶液中，在加入银盐，混合均匀后，于50～70℃反应1.5～3h，反应结束经处理后，即得所述三维氮掺杂石墨烯/
γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂。
γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂。
[0019] 优选的，所述银盐为硝酸银，所述三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料与所述银盐用量质量比为1：0.2～1.2。
[0020] 优选的，所述反应结束后是将反应物冷却至室温，过滤，用水溶剂多次清洗后，于‑30～‑50℃冷冻干燥处理。
[0021] 本发明第三个目的提供一种三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂在染料光催化降解中的应用。
[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0023] 本发明通过采用可见光响应的γ‑Fe2O3作为半导体光催化材料，以氧化石墨烯为载体，在氮掺杂及贵金属银沉积对其进行改性后，通过反应自组装得到具有三维结构的氮
掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，该催化剂具有更大的比表面积增强了吸附作用，且
电子传输效率更高，能够有效地抑制光生电子‑空穴对的复合，同时具备磁响应性，易回收
循环利用。
掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂，该催化剂具有更大的比表面积增强了吸附作用，且
电子传输效率更高，能够有效地抑制光生电子‑空穴对的复合，同时具备磁响应性，易回收
循环利用。
[0024] 本发明提供的复合光催化剂，γ‑Fe2O3与石墨烯的复合以及氮掺杂都是通过形成化学键(Fe‑O‑C、C‑N)实现的，石墨烯复合和掺杂过程均使得γ‑Fe2O3的可见光吸收带得以
拓展，禁带宽度明显减小；在最适条件(pH＝5，C0＝5mg/L， C光催化剂＝0.2g/L)下，该复合光催
化剂可将RhB完全降解，复合和掺杂提高了光催化剂的比表面积及电子迁移率；该复合光催
化剂的光催化降解性能优于二维构型，其更大的比表面积能够增强吸附作用，且电子传输
效率更高，能够有效地抑制光生电子‑空穴对的复合。
拓展，禁带宽度明显减小；在最适条件(pH＝5，C0＝5mg/L， C光催化剂＝0.2g/L)下，该复合光催
化剂可将RhB完全降解，复合和掺杂提高了光催化剂的比表面积及电子迁移率；该复合光催
化剂的光催化降解性能优于二维构型，其更大的比表面积能够增强吸附作用，且电子传输
效率更高，能够有效地抑制光生电子‑空穴对的复合。
[0025] 本发明提供的一种三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂的制备方法工艺简单，条件容易控制。制备的复合光催化剂与纯γ‑Fe2O3相比禁带宽度更小、可见光吸收范
围更宽，且具有强吸附及光催化降解性能，对于环境中难降解有机污染物的治理具有潜在
的应用价值，并且可以利用其磁性回收重复利用。
围更宽，且具有强吸附及光催化降解性能，对于环境中难降解有机污染物的治理具有潜在
的应用价值，并且可以利用其磁性回收重复利用。
附图说明
[0026] 图1为实施例1提供的复合光催化剂的制备过程示意图。
[0027] 图2为实施例1提供的复合光催化剂及石墨烯、氮掺杂石墨烯、氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料的XRD图谱。
[0028] 图3为实施例1提供的复合光催化剂的XPS图谱；
[0029] 其中，图3a为XPS全谱图；图3b为O1s谱图；图3c为C1s谱图；图 3d为N1s谱图；图3e为Fe2p谱图；图3f为Ag3d谱图。
[0030] 图4为实施例1提供的复合光催化剂不同放大倍数的SEM图。
[0031] 图5为实施例1提供的复合光催化剂不同放大倍数的TEM图。
[0032] 图6为实施例1提供的复合光催化剂的磁铁吸引效果图。
[0033] 图7为实施例1提供的复合光催化剂及氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料、石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料及γ‑Fe2O3的UV‑Vis DRS吸收光谱图。
[0034] 图8为实施例1提供的三维复合光催化剂及对比例1提供的二维复合光催化剂的禁带宽度分析图；其中，图a为对比例1提供的二维复合光催化剂的禁带宽度分析图；图b为实
施例1提供的三维复合光催化剂的禁带宽度分析图。
施例1提供的三维复合光催化剂的禁带宽度分析图。
[0035] 图9为实施例1提供的复合光催化剂在不同pH值下对RhB降解率的影响柱状图。
[0036] 图10为实施例1提供的复合光催化剂在不同初始浓度下对RhB降解率的影响柱状图。
[0037] 图11为实施例1提供的复合光催化剂在不同浓度下对RhB降解率的影响柱状图。
具体实施方式
[0038] 为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0039] 需要说明的是，下述各实施例中所述实验方法如无特殊说明，均为常规方法；采用的试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
[0040] 实施例1
[0041] 一种三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂的制备方法，见图1所示，包括以下步骤：
[0042] 步骤1：称取40mg GO粉末超声30min分散于40mL乙二醇和去离子水的混合液(V/V＝1:1)中，边搅拌边向其中加入不同质量的尿素(m尿素： mGO＝100:1)，将悬浊液搅拌并超声
分散一段时间，向分散液中加入40mg平均粒径长为40～55nm，宽为8～12nm的γ‑Fe2O3和
0.2g SDBS，超声1h；
分散一段时间，向分散液中加入40mg平均粒径长为40～55nm，宽为8～12nm的γ‑Fe2O3和
0.2g SDBS，超声1h；
[0043] 步骤2：将分散液移入50mL高压反应釜中，于180℃反应12h；冷却至室温，分离产物，用无水乙醇和去离子水洗涤后冷冻干燥，即得3D氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料
[0044] 步骤3：称取40mg 3D氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料，超声分散于60mL 乙二醇/水溶液(V/V＝1:1)中，加入含40mgAgNO3的乙二醇溶液20ml，超声 30min，60℃反应2h；冷却
至室温，分离产物，用去离子水洗涤后冷冻干燥，得到三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合
光催化剂；其中复合光催化剂中的Ag 纳米颗粒负载量为30wt％，Ag粒子的平均粒径为20～
40nm。
至室温，分离产物，用去离子水洗涤后冷冻干燥，得到三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合
光催化剂；其中复合光催化剂中的Ag 纳米颗粒负载量为30wt％，Ag粒子的平均粒径为20～
40nm。
[0045] 实施例2
[0046] 一种三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂的制备方法，见图1所示，包括以下步骤：
[0047] 步骤1：称取50mg GO粉末超声30min分散于50mL乙二醇和去离子水的混合液(V/V＝1:1)中，边搅拌边向其中加入不同质量的尿素(m尿素： mGO＝150:1)，将悬浊液搅拌并超声
分散一段时间，向分散液中加入60mg平均粒径长为40～55nm，宽为8～12nm的γ‑Fe2O3颗粒
和0.25g SDBS，超声1h；
分散一段时间，向分散液中加入60mg平均粒径长为40～55nm，宽为8～12nm的γ‑Fe2O3颗粒
和0.25g SDBS，超声1h；
[0048] 步骤2：将分散液移入50mL高压反应釜中，于180℃反应12h；冷却至室温，分离产物，用无水乙醇和去离子水洗涤后冷冻干燥，即得3D氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料
[0049] 步骤3：称取50mg 3D氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料，超声分散于60mL 乙二醇/水溶液(V/V＝1:1)中，加入含20mgAgNO3的乙二醇溶液20ml，超声 35min，60℃反应2h；冷却
至室温，分离产物，用去离子水洗涤后冷冻干燥，得到三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合
光催化剂；其中复合光催化剂中的Ag 纳米颗粒负载量为20wt％，Ag粒子的平均粒径为20～
40nm。
至室温，分离产物，用去离子水洗涤后冷冻干燥，得到三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合
光催化剂；其中复合光催化剂中的Ag 纳米颗粒负载量为20wt％，Ag粒子的平均粒径为20～
40nm。
[0050] 实施例3
[0051] 一种三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂的制备方法，见图1所示，包括以下步骤：
[0052] 步骤1：称取60mg GO粉末超声30min分散于60mL乙二醇和去离子水的混合液(V/V＝1:1)中，边搅拌边向其中加入不同质量的尿素(m尿素： mGO＝200:1)，将悬浊液搅拌并超声
分散一段时间，向分散液中加入50mg平均粒径长为40～55nm，宽为8～12nm的γ‑Fe2O3和
0.3g SDBS，超声1h；
分散一段时间，向分散液中加入50mg平均粒径长为40～55nm，宽为8～12nm的γ‑Fe2O3和
0.3g SDBS，超声1h；
[0053] 步骤2：将分散液移入50mL高压反应釜中，于180℃反应12h；冷却至室温，分离产物，用无水乙醇和去离子水洗涤后冷冻干燥，即得3D氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料
[0054] 步骤3：称取60mg 3D氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料，超声分散于70mL 乙二醇/水溶液(V/V＝1:1)中，加入含10mgAgNO3的乙二醇溶液10ml，超声 30min，60℃反应2h；冷却
至室温，分离产物，用去离子水洗涤后冷冻干燥，得到三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合
光催化剂；其中，复合光催化剂中的 Ag纳米颗粒负载量为10wt％，Ag粒子的平均粒径为20
～40nm。
至室温，分离产物，用去离子水洗涤后冷冻干燥，得到三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合
光催化剂；其中，复合光催化剂中的 Ag纳米颗粒负载量为10wt％，Ag粒子的平均粒径为20
～40nm。
[0055] 对比例1
[0056] 一种二维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0057] 称取40mg GO粉末超声分散于40mL乙醇和去离子水的混合液 (V/V＝2:1)中，边搅拌边向其中加入尿素(m尿素：mGO＝100:1)，将悬浊液搅拌并超声分散一段时间；加入40mg平均
粒径长为40～55nm，宽为8～12nm 的γ‑Fe2O3和0.2g SDBS，超声1h；
粒径长为40～55nm，宽为8～12nm 的γ‑Fe2O3和0.2g SDBS，超声1h；
[0058] 将混合液移入50mL高压反应釜中，于120℃反应3h；反应釜冷却至室温，分离产物，用无水乙醇和去离子水洗涤后冷冻干燥，即得氮掺杂石墨烯 /γ‑Fe2O3纳米复合材料；
[0059] 称取40mg上一步产物，超声分散于20mL水中，加入40mg AgNO3，于60℃油浴条件下反应2h，冷却、分离、洗涤、干燥，即得二维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂。
[0060] 为了说明本发明提供的复合光催化剂的各项性能，由于实施例1～3提供的复合光催化剂的性能类似，仅对实施例1提供的复合光催化剂进行相关性能的测试，对比例1作为
对照组。见图2～8所示。
对照组。见图2～8所示。
[0061] 图2为氧化石墨烯(图2a)、γ‑Fe2O3颗粒(图2b)、三维氮掺杂石墨烯 /γ‑Fe2O3复合材料(图2c)及实施例1提供的三维复合光催化剂(图2d)的XRD图谱。
[0062] 从图2可知，石墨烯复合、氮掺杂及Ag负载对γ‑Fe2O3纳米粒子的晶格结构都不会产生影响；三维材料的衍射谱线中，归属于Ag的衍射峰更强，这说明3D结构的材料中可能负
载了更多的Ag纳米粒子。
载了更多的Ag纳米粒子。
[0063] 图3为实施例1提供的复合光催化剂的XPS图谱；
[0064] 其中，图3a为XPS全谱图；图3b为O1s谱图；图3c为C1s谱图；图 3d为N1s谱图；图3e为Fe2p谱图；图3f为Ag3d谱图。
[0065] 图3中，图3d为三维复合光催化剂N1s的XPS图谱，结合能为398.4eV、 399.9eV、402.0eV处分别对应吡啶N、吡咯N和石墨N，可以看出3D材料中起主要作用的是吡咯N掺杂对
石墨烯中芳香环以及复合材料的改性。图3e 和图3f为3D光催化剂Fe2p和Ag3d的XPS图谱，
图3e中结合能为724.5eV 和710.9eV分别对应Fe2p1/2和Fe2p3/2，在719.7eV处有一较弱的
伴峰，图 3f中结合能为374.1eV和368.1eV处分别为Ag 3d3/2和Ag 3d5/2的特征峰。说明3D构
0
型的光催化剂中的Fe主要是以Fe‑O‑C键的形式存在的，而Ag主要是以Ag的形式存在的。
石墨烯中芳香环以及复合材料的改性。图3e 和图3f为3D光催化剂Fe2p和Ag3d的XPS图谱，
图3e中结合能为724.5eV 和710.9eV分别对应Fe2p1/2和Fe2p3/2，在719.7eV处有一较弱的
伴峰，图 3f中结合能为374.1eV和368.1eV处分别为Ag 3d3/2和Ag 3d5/2的特征峰。说明3D构
0
型的光催化剂中的Fe主要是以Fe‑O‑C键的形式存在的，而Ag主要是以Ag的形式存在的。
[0066] 图4为实施例1提供的三维复合光催化剂不同放大倍数的SEM图。
[0067] 从图4中可知，图4a和图4b，可以明显看出石墨烯的三维结构，石墨烯片层之间有明显的三维立体感，边缘处的褶皱也大大增加了石墨烯的比表面积，对于光降解很有利；而
从放大5000倍的图4c和图4d中，又可以看出石墨烯所形成的三维网状结构，这种大的网状
结构不仅可以增加比表面积促进吸附，还能促进光生电子在纵向上的迁移，减少空穴‑光生
电子的复合，提高光催化效率。
从放大5000倍的图4c和图4d中，又可以看出石墨烯所形成的三维网状结构，这种大的网状
结构不仅可以增加比表面积促进吸附，还能促进光生电子在纵向上的迁移，减少空穴‑光生
电子的复合，提高光催化效率。
[0068] 图5为实施例1提供的复合光催化剂在不同放大倍数的TEM图。
[0069] 从图5可以看出石墨烯片层变得重叠，而非薄且透，在石墨烯基体上分布着棒状的γ‑Fe2O3纳米粒子，同样可以看到方形的Ag纳米粒子，Ag粒子的平均粒径为20～40nm。
[0070] 图6为实施例1提供的复合光催化剂的磁铁吸引效果图。
[0071] 从图6可知，三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合光催化剂表现出了优异的磁响应性，在磁场作用下能在3s内向常规场方向快速排列。这从而说明该复合光催化材料易于回
收的特性，即能够通过外加磁场非常方便地加以分离，从反应体系中得以回收利用，这在环
境领域是非常重要的，不仅节省了成本，实现了光催化剂的高效利用，同时也减少了二次污
染。
收的特性，即能够通过外加磁场非常方便地加以分离，从反应体系中得以回收利用，这在环
境领域是非常重要的，不仅节省了成本，实现了光催化剂的高效利用，同时也减少了二次污
染。
[0072] 图7为实施例1提供的复合光催化剂(3DAg@N‑GF)及γ‑Fe2O3、三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3(3DN‑GF)及三维石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料(3D G/F)的 UV‑Vis DRS吸收光谱图。
[0073] 从图7可知，对于三维复合光催化剂而言，石墨烯复合后400～530nm可见光吸收能力减弱，而530～760nm范围内的光吸收能力明显增强；N掺杂和 Ag沉积之后，可见光吸收能
力在420～760nm区域大范围且大幅度地增强，且 3DAg@N‑G/F复合光催化剂的可见光吸收
能力最强，且吸收范围最宽。相比于2D复合光催化剂，3D体系进行石墨烯复合、N掺杂以及Ag
沉积之后会对γ‑Fe2O3的可见光吸收能力产生更明显的提升作用。
力在420～760nm区域大范围且大幅度地增强，且 3DAg@N‑G/F复合光催化剂的可见光吸收
能力最强，且吸收范围最宽。相比于2D复合光催化剂，3D体系进行石墨烯复合、N掺杂以及Ag
沉积之后会对γ‑Fe2O3的可见光吸收能力产生更明显的提升作用。
[0074] 图8为实施例1提供的复合光催化剂及对比例1提供的复合光催化剂的禁带宽度分析图；其中，图8a为对比例1提供的二维复合光催化剂(2D Ag@N‑GF)的禁带宽度分析图，图
8b为实施例1提供三维复合光催化剂(3D Ag@N‑GF)的禁带宽度分析图。
8b为实施例1提供三维复合光催化剂(3D Ag@N‑GF)的禁带宽度分析图。
[0075] 从图中可以看出，三维复合光催化剂明显比二维复合光催化剂的禁带宽度小，说明光催化剂被激发所需的光子能量有所降低，即三维光催化剂更易被可见光激发，从而提
升光催化活性。
升光催化活性。
[0076] 为了进一步说明本发明提供的复合光催化剂的光催化降解性能，仅对实施例1提供的复合光催化剂进行光催化降解试验，对比例1作为对照组，见图9～11 所示。
[0077] 其中，光催化剂对RhB的光催化降解的测定方法如下：
[0078] 取一定浓度的RhB溶液50mL于锥形瓶中，调节pH值，加入一定量的实施例1提供的光催化剂，放入磁子搅拌。于避光处吸附1h达到平衡后，取下锥形瓶，在磁铁的吸引下静置
5min，取1mL上清液测量吸光度并记录作为光降解反应的初始浓度C0。打开光源照射反应体
系，每隔一段时间取上清液测定吸光度，根据标准曲线得出时间为t时的RhB浓度。光催化剂
对RhB的降解率可以通过公式(1‑1)进行计算。
5min，取1mL上清液测量吸光度并记录作为光降解反应的初始浓度C0。打开光源照射反应体
系，每隔一段时间取上清液测定吸光度，根据标准曲线得出时间为t时的RhB浓度。光催化剂
对RhB的降解率可以通过公式(1‑1)进行计算。
[0079]
[0080] 式中：W表示RhB的降解率，％；C0’表示暗吸附60min后RhB的浓度，即光降解反应的实际初始浓度，mg/L；Ct表示t时刻RhB的浓度，mg/L。
[0081] 1、pH对RhB降解率的影响
[0082] 室温下，取8只50mL锥形瓶，分别加入10mg/L的RhB溶液，加入一定浓度的盐酸和氢氧化钠溶液调节pH，分别为3.0、5.0、7.0、9.0，然后1～4 号依次加入10mg二维氮掺杂石墨
烯/γ‑Fe2O3/Ag复合材料(2D GF)，5～8号依次加入10mg三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复
合材料(3D GF)，放入磁子搅拌。先在暗处吸附1h，然后距离锥形瓶10cm处放置一个150W的
氙灯光源，光源和锥形瓶之间放置一滤光片。可见光照射6h后，取样，置于紫外可见分光光
度计中测定吸光度A。RhB溶液的降解率可以通过公式(1‑1)进行计算。见图9所示。
烯/γ‑Fe2O3/Ag复合材料(2D GF)，5～8号依次加入10mg三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复
合材料(3D GF)，放入磁子搅拌。先在暗处吸附1h，然后距离锥形瓶10cm处放置一个150W的
氙灯光源，光源和锥形瓶之间放置一滤光片。可见光照射6h后，取样，置于紫外可见分光光
度计中测定吸光度A。RhB溶液的降解率可以通过公式(1‑1)进行计算。见图9所示。
[0083] 图9为实施例1提供的复合光催化剂(3D GF)及对比例1提供的复合光催化剂(2D GF)在不同pH值下对RhB降解率的影响柱状图。
[0084] 从图9中可以看出，在pH＝5时二维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合材料(2D GF)和三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合材料(3D GF)对RhB的降解率最高，分别为96.94％％和
99.86％。这是因为溶液pH能够使光催化剂的表面电荷性质发生改变，从而对吸附作用产生
影响。当溶液为酸性时，三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合材料(3D GF)表面的‑OH发生质
子化，带上正电荷；当溶液pH逐渐增大至溶液为碱性时，质子化的‑OH又会发生解离现象。水
溶液中γ‑Fe2O3的等电点为pHzpc＝3.3～6.7。当溶液pH小于pHzpc时，γ‑Fe2O3表面带正电
+ ‑
荷，光源照射使得电子激发跃迁至导带，形成空穴(h)和光生电子(e)，带负电的光生电子
就会向带正电荷的石墨烯和γ‑Fe2O3表面迁移，从而提升空穴和光生电子的分离效率。此
‑
外，由于pH＝5时光催化剂表面为正电，对RhB上的Cl 有静电引力的作用，这也有利于吸附
作用的发生，从而提高光催化降解的效率。
99.86％。这是因为溶液pH能够使光催化剂的表面电荷性质发生改变，从而对吸附作用产生
影响。当溶液为酸性时，三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合材料(3D GF)表面的‑OH发生质
子化，带上正电荷；当溶液pH逐渐增大至溶液为碱性时，质子化的‑OH又会发生解离现象。水
溶液中γ‑Fe2O3的等电点为pHzpc＝3.3～6.7。当溶液pH小于pHzpc时，γ‑Fe2O3表面带正电
+ ‑
荷，光源照射使得电子激发跃迁至导带，形成空穴(h)和光生电子(e)，带负电的光生电子
就会向带正电荷的石墨烯和γ‑Fe2O3表面迁移，从而提升空穴和光生电子的分离效率。此
‑
外，由于pH＝5时光催化剂表面为正电，对RhB上的Cl 有静电引力的作用，这也有利于吸附
作用的发生，从而提高光催化降解的效率。
[0085] 2、溶液初始浓度对RhB降解率的影响
[0086] 室温下，取10只50mL锥形瓶，分别加入5mg/L、10mg/L、15mg/L、 20mg/L、25mg/L的RhB溶液，加入一定浓度的盐酸溶液调节pH为5.0，然后1～4号依次加入10mg二维氮掺杂石
墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合材料(2D GF)， 5～8号依次加入10mg三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/
Ag复合材料(3D GF)，放入磁子搅拌。暗处吸附1h后进行光降解实验，可见光照射6h后，取
样，置于紫外可见分光光度计中测定吸光度A。RhB溶液的降解率可以通过公式(1‑1) 进行
计算。见图10所示。
墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合材料(2D GF)， 5～8号依次加入10mg三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/
Ag复合材料(3D GF)，放入磁子搅拌。暗处吸附1h后进行光降解实验，可见光照射6h后，取
样，置于紫外可见分光光度计中测定吸光度A。RhB溶液的降解率可以通过公式(1‑1) 进行
计算。见图10所示。
[0087] 图10为实施例1提供的复合光催化剂(3D GF)及对比例1提供的复合光催化剂(2D GF)在不同初始浓度下对RhB降解率的影响柱状图。
[0088] 从图10中可以看出，当溶液初始浓度为5mg/L时，Ag@N‑G/F复合材料对RhB的降解率最高为100％，即可以完全降解；之后随着溶液初始浓度的增大，RhB的降解率逐渐减小。
从吸附的角度来看，溶液中RhB含量较多，而光催化剂的吸附位点已接近于饱和状态，吸附
作用很弱无法促进光催化作用的进行，从而使得光催化降解效率逐渐降低。由此可以说明，
2D和3D Ag负载N掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合光催化剂，尤其是后者对降解低浓度(5～15mg/
L) 的RhB溶液效果显著，可以应用于处理染料废水。
从吸附的角度来看，溶液中RhB含量较多，而光催化剂的吸附位点已接近于饱和状态，吸附
作用很弱无法促进光催化作用的进行，从而使得光催化降解效率逐渐降低。由此可以说明，
2D和3D Ag负载N掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合光催化剂，尤其是后者对降解低浓度(5～15mg/
L) 的RhB溶液效果显著，可以应用于处理染料废水。
[0089] 3、光催化剂浓度对RhB降解率的影响
[0090] 室温下，取8只50mL锥形瓶，分别加入10mg/L的RhB溶液，加入一定浓度的盐酸溶液调节pH为5.0，然后1～4号分别加入5mg、10mg、15mg、 20mg的二维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/
Ag复合材料(2D GF)，5～8号分别加入 5mg、10mg、15mg、20mg的三维氮掺杂石墨烯/γ‑
Fe2O3/Ag复合材料(3D GF)，即光催化剂的质量浓度分别为0.1g/L、0.2g/L、0.3g/L、0.4g/L，
放入磁子搅拌。暗处吸附1h后进行光降解实验，可见光照射6h后，取样，置于紫外可见分光
光度计中测定吸光度A。RhB溶液的降解率可以通过公式(1‑1)进行计算。见图11所示。
Ag复合材料(2D GF)，5～8号分别加入 5mg、10mg、15mg、20mg的三维氮掺杂石墨烯/γ‑
Fe2O3/Ag复合材料(3D GF)，即光催化剂的质量浓度分别为0.1g/L、0.2g/L、0.3g/L、0.4g/L，
放入磁子搅拌。暗处吸附1h后进行光降解实验，可见光照射6h后，取样，置于紫外可见分光
光度计中测定吸光度A。RhB溶液的降解率可以通过公式(1‑1)进行计算。见图11所示。
[0091] 图11为实施例1提供的复合光催化剂(3D GF)及对比例1提供的复合光催化剂(2D GF)在不同浓度下对RhB降解率的影响柱状图。
[0092] 从图11中可以看出，当光催化剂浓度为0.2g/L时，2D和3D Ag负载N 掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3复合材料对RhB的降解率最高，分别为96.94％和99.86％。当光催化剂浓度为0.1g/
L时，对于RhB溶液来说，光催化剂不足以降解所有的RhB，所以降解率较低；当光催化剂浓度
大于0.2g/L时，从光催化剂相互堆叠覆盖，影响对光的吸收，从而使得光催化降解效率逐渐
降低。
L时，对于RhB溶液来说，光催化剂不足以降解所有的RhB，所以降解率较低；当光催化剂浓度
大于0.2g/L时，从光催化剂相互堆叠覆盖，影响对光的吸收，从而使得光催化降解效率逐渐
降低。
[0093] 实验结果表明使用上述方法制备的三维氮掺杂石墨烯/γ‑Fe2O3/Ag复合材料在pH＝5，C0＝5mg/L，C光催化剂＝0.2g/L，光照6h的实验条件下光催化降解低浓度(5～15mg/L)RhB
的总去除率能达到99％以上，说明本发明提供的制备方法可行，且能够获得催化性能更优
的光催化剂。
的总去除率能达到99％以上，说明本发明提供的制备方法可行，且能够获得催化性能更优
的光催化剂。
[0094] 本发明描述了优选实施例及其效果。但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优
选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0095] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。