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可见光响应型磁性Fe

花匠小妙招
2024-10-30 10:24

【摘要】： 能源短缺和环境污染是威胁人类发展的两大严峻问题,治理环境污染和开发利用新的清洁能源是一项重大任务。合成染料是水环境中最常见的有机污染物之一,占工业废水总排放量的35.47%。大约80%的有机染料属于含氮染料,具有抗生物降解,导致高色度、高COD、高生物毒性等水生环境问题,因此开发合理高效去除废水中染料的工艺很有必要。光催化技术因绿色、环保、低耗能而备受关注,其核心是半导体光催化剂在光照下能将染料分子降解为无毒无害的二氧化碳、水等小分子物质。随着光催化技术研究的深入开展,人们发现若要利用可再生的太阳能,半导体光催化剂的禁带宽度得适中,利用半导体复合的方式不仅能最大限度利用太阳能中的可见光,而且可降低光生电子-空穴的复合率。近年来一类新型纳米光催化剂Bi OX(X=Br,I)引起研究者广泛关注,因其具有独特的层状结构,良好的内建电场,优异的光催化效率而成为研究热点。但是纳米催化剂的分离问题依然制约着该技术的实际应用。与此,将高活性纳米光催化剂磁性化成为我们的研究目标,能解决催化剂分离问题的同时,可高效利用太阳能,推动光催化技术的应用进展。本课题以BiOBr为研究主线,选定Fe_3O_4为磁性材料,以磁化和增强单组分BiOBr活性为目的,首先合成二元磁性复合光催化材料Fe_3O_4(共沉淀法)/BiOBr以解决单组份BiOBr活性低和难分离问题;然后合成了二元复合光催化剂BiOBr/BiOI,以提高单组份BiOBr的光催化活性;为解决高活性BiOBr/BiOI(3:1)催化剂的分离问题,进一步合成三元复合光催化材料Fe_3O_4/BiOBr/BiOI;为了讨论不同方法制备的Fe_3O_4作为BiOBr/BiOI(3:1)磁性材料的差异,对共沉淀法和溶剂热法制备的Fe_3O_4所形成的三元磁性材料的光催化性能进行了比较研究,结果证实沉淀法合成的Fe_3O_4更适合做BiOBr/BiOI(3:1)磁化的磁性材料,具体研究内容如下:(1)两步法合成二元磁性材料Fe_3O_4(共沉淀法)/BiOBr。首先采用共沉淀法合成Fe_3O_4,然后溶剂热法合成二元磁性材料Fe_3O_4/BiOBr(摩尔比分别为0.1:1、0.3:1、0.5:1、0.7:1和0.9:1)。通过XRD、SEM、HR-TEM、EDS、XPS、Uv-vis、PL和BET等表征手段,研究了不同Fe_3O_4含量对Fe_3O_4/BiOBr复合材料性能的影响。当Fe_3O_4与BiOBr的摩尔比为0.5:1时,形成3D花状结构,Fe_3O_4纳米粒子均匀的分布在BiOBr花瓣状薄片表面。可见光照140 min,Fe_3O_4/BiOBr(0.5:1)对RhB的降解率为99.6%(纯BiOBr为82.3%)。而且在外加磁场30秒后,能够从水体中快速分离。此外,Fe_3O_4/BiOBr(0.5:1)具有良好的稳定性,经过10次循环利用实验,对RhB的降解率从99.6%降到90.1%。最后,通过自由基捕获实验、半导体能带理论和高效液相色谱-质谱(LC-MS)分析,对RhB的降解机理及路径进行了研究。(2)一步法合成二元复合光催化剂BiOBr/BiOI。采用一步溶剂热法合成不同摩尔比(3:1、2:1、3:2、2:2、2:3、1:2和1:3)的BiOBr/BiOI二元复合物。采用XRD、Raman、SEM、EDS、TEM、HR-TEM、BET、Uv-vis DRS、PL等测试手段,研究了不同摩尔比的二元复合物BiOBr/BiOI的物理化学性能。BiOBr和BiOI摩尔比为3:1时,两者复合形成均匀的3D类绿橄榄花状结构。均匀花状结构的BiOBr/BiOI(3:1)对RhB的降解效果最好,可见光照80 min,对RhB的降解率达到99.8%,降解动力学常数K为纯BiOBr的28倍。这个结果与其均匀的花状结构和大的比表面积(44.21 m~2.g~(-1))有很大关系。除此之外探究了影响BiOBr/BiOI(3:1)光催化性能的因素(p H、NO_3~-、Cl~-和HCO_3~-)。此外,通过自由基捕获实验、EPR和半导体结构分析确定了可能的降解机理。(3)两步法合成三元磁性光催化剂Fe_3O_4(共沉淀法)/BiOBr/BiOI。采用溶剂热法将沉淀法合成的Fe_3O_4与BiOBr/BiOI(3:1)复合合成三元磁性复合光催化剂Fe_3O_4/BiOBr/BiOI(x:3:1)。采用XRD、SEM、EDS、TEM、HR-TEM、XPS、BET、VSM、Uv-vis DRS和PL等手段研究了不同Fe_3O_4(x=0.7、0.9、1.1、1.3和1.5)摩尔比对三元磁性Fe_3O_4/BiOBr/BiOI(x:3:1)材料性能的影响。其中Fe_3O_4/BiOBr/BiOI(1.1:3:1)对RhB的降解效果最好,与先前工作合成的二元磁性复合物Fe_3O_4/BiOBr(0.5:1)相比,吸附能力和一级速率常数分别是Fe_3O_4/BiOBr(0.5:1)的2.6和1.5倍。除此之外探究了几个影响Fe_3O_4/BiOBr/BiOI(1.1:3:1)催化性能的因素(p H、HCO_3~-和NO_3~-等)。经过10次循环利用实验,Fe_3O_4/BiOBr/BiOI(1.1:3:1)的晶体结构、形貌和磁性基本保持不变,并保持较高的光催化活性。最后讨论了Fe_3O_4/BiOBr/BiOI(1.1:3:1)光催化降解RhB的机理。(4)两步法合成三元磁性材料Fe_3O_4(溶剂热法)/BiOBr/BiOI。为了进一步探究不同方法制备的Fe_3O_4作为磁性材料对BiOBr/BiOI(3:1)性能的影响,此部分采用溶剂热法合成的Fe_3O_4与BiOBr/BiOI(3:1)进行复合。筛选出的Fe_3O_4(溶剂热法)/BiOBr/BiOI(0.4:3:1)与二元磁性光催化剂Fe_3O_4/BiOBr(0.5:1)相比光催化活性及吸附能力均具有明显优势。但是与Fe_3O_4(共沉淀法)/BiOBr/BiOI(1.1:3:1)相比,磁性、降解活性、稳定性都稍差。对比结果发现沉淀法合成的Fe_3O_4更适合作为BiOBr/BiOI(3:1)的磁性材料。

【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019

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