钴掺杂的铁酸铋催化PMS氧化单质汞的实验研究

采用酒石酸溶胶凝胶法制备了一系列的钴掺杂的铁酸铋催化剂(BiFe_(1-x)Co_xO_3,x=5%-20%,x为Co/CoFe物质的量比),借助于X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积(BET)、磁强振动计(VSM)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对催化剂进行表征。在自制鼓泡反应器内,利用钴掺杂铁酸铋活化过一硫酸氢钾(PMS),开展了模拟烟气中单质汞脱除实验,获得反应的最佳条件。当钴掺杂量为10%,催化剂用量为0.5 g/L,PMS浓度为3.9 mmol/L,溶液初始pH值为8,反应温度70℃时,反应100 min内Hg~0的平均脱除效率达89.36%。以乙醇和叔丁醇为淬灭剂,证明了·OH和SO~(·-)_4为Hg~0催化氧化的活性物种,且SO~(·-)_4起主要作用,并结合XPS分析结果推测了脱汞反应机理。     

可见光协同钴铈铁氧体高效活化过一硫酸盐降解噻虫胺

本实验采用溶胶-凝胶燃烧的方法,将Co掺入到CeFeO3（CFO）钙钛矿晶格中制备了具有晶格缺陷的CeFe0.8Co0.2O3（CFCO）纳米颗粒催化剂。通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、Ｘ射线光电子能谱（XPS）等表征技术对CFCO催化剂进行表征分析,结果表明在CFCO上形成了表面氧空位（VO）。同时,还研究了过硫酸氢钾（PMS）用量、不同pH值对CFCO降解噻虫胺（CTD）的影响。结果表明,在CFCO投加量为0.6 g?L-1,PMS用量为0.8 mmol?L-1,pH为7时,20 mg?L-1的噻虫胺在30分钟内完全降解。并且经过4次循环使用后,噻虫胺降解率仍能达到91.2%。CFCO对于PMS的高效活化能力,主要归功于晶格缺陷所产生的电位差促使自由电子顺着氧空位快速定向传导到PMS上。为了模拟在天然水体环境中CFCO光催化活化PMS去除CTD,进行阴离子和有机酸的对比实验,分析了不同环境因素对CFCO降解噻虫胺的影响;此外,本文通过自由基淬灭实验与电子自旋共振（ESR）检测确定了CFCO光催化活化PMS降解噻虫胺实验中起主要作用的活性物种为单线态氧（1O2）与羟基自由基（?OH）,并分析推测了自由基的产生机理。最后采用高效液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）检测分析了CTD降解过程中可能产生的代谢产物,并基于代谢产物的产生顺序归纳出了三条可能的降解路径。     

锰铝层状双金属氢氧化物活化过一硫酸盐降解橙黄Ⅱ

通过水热法制备MnAl层状双金属氢氧化物(MA),采用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)和比表面积分析仪(BET)对其进行表征,并用其活化过一硫酸盐(PMS)降解偶氮染料橙黄Ⅱ。实验结果表明,当温度为25℃,溶液初始pH为7,0.1 g/LMA,1 mmol/LPMS,反应90分钟后20mg/L橙黄Ⅱ降解率为85.2%。橙黄Ⅱ的降解率随着PMS浓度、溶液初始pH值和温度升高而增大。MA投加量有最优值。水中常见离子Cl^-、NO₃^-、HCO₃^-、HPO₄^-、HA都对降解有一定的抑制。自由基猝灭实验结果表明体系中的主要氧化物种为¹O₂。经过5次循环使用后,橙黄Ⅱ的降解率还可达到38.2%。在实际水体应用中,橙黄Ⅱ的降解率可达53.8%。     

铁酸钴复合氧化物制备及光催化研究

采用一种新型燃烧剂抗坏血酸,燃烧法快速制备铁酸钴的复合氧化物.经XRD考察硝酸铁和硝酸钴摩尔比对复合氧化物的影响,电镜表征复合氧化物的形貌、BET表征复合氧化物的比表面积以及紫外表征复合氧化物的紫外吸收性能.以甲基橙为目标降解物对铁酸钴的复合氧化物进行光催化研究.考察了溶液酸度、光照时间、催化剂用量和双氧水用量等条件对光催化效果的影响.最佳光催化条件:当Fe(NO3)3,Co(NO3)3和抗坏血酸的物质的量比为1∶2∶1时所制备的铁酸钴复合氧化物,催化剂用量为200mg/L,溶液的酸度为pH=6;脱色的最佳条件为当Fe(NO3)3,Co(NO3)3和抗坏血酸的物质的量比为1∶3∶1时所制备的复合氧化物,催化剂用量为100mg/L时,pH=4;复合氧化物还对六价铬的吸附率为58%,对铅的吸附率为45%.     

Ho3+掺杂铁酸铋的制备及光催化性

为提高铁酸铋磁性和光催化性能,通过低温热分解前驱体快速制备出可磁分离回收的Ho³⁺掺杂铁酸铋复合物Bi_0.95Ho_0.05FeO₃纳米颗粒,并用X粉末衍射仪(XRD)、傅里叶红外变换光谱仪(FT-IR)、紫外可见漫反射光谱仪(DRS),磁强计(VSM)和Zeta电位仪等多种手段对物相和性质进行表征,同时以甲基橙(MO)为降解模型,考察溶液的酸碱性和常见无机阴离子共存下其光催化性能。 结果显示,产物以R3c相铁酸铋为主,带隙为1.90 eV,Ho³⁺掺杂后使铁酸铋的磁性增强了4倍,催化性能提高30%。 而该催化剂的催化性能受降解溶液本身酸碱性以及共存阴离子的氧化性与酸碱性的影响。 另外,对该催化剂的回收也进行了研究。 结果表明,所得催化剂可通过磁分离回收,从而反复利用。     

纳米铁酸铋及其改性物的环境催化性能

铁酸铋（BiFeO₃）是一种典型的钙钛矿型氧化物,具有一定的可见光催化和多相类芬顿催化性能。在可见光照射且存在过氧化氢的情况下,BiFeO₃可活化过氧化氢并产生强氧化性物种,这些物种会攻击污染物分子从而使其降解。但BiFeO₃量子效率不高,光生电子和空穴容易复合;其活化过氧化氢的能力也有待提高。本文综述了近二十年来铁酸铋及其改性物作为可见光催化剂及多相类芬顿催化剂的研究进展,重点介绍了在制备过程中对其形貌的调控、贵金属沉积、离子掺杂、半导体复合、或负载于其他材料表面等改善其环境催化性能方法与效果,改性后发现BiFeO₃的可见光催化和多相类芬顿催化性能均得到提升。最后,对铁酸铋复合催化剂未来的发展方向进行了展望。     

可见光辐射下新型可循环石墨烯-铁酸铋杂化催化剂高效光催化降解氨氮

近年来,本课题组利用简单的一步水热法,将石墨烯和铁酸锰、铁酸镍进行掺杂,先后制备出石墨烯铁酸锰和活性炭铁酸镍纳米光催化材料,并发现在可见光辐射作用下,这两种光催化剂均能利用可见光能量催化分解过氧化氢产生活性因子,从而有效地降解氨.基于此,本文采用简单的水热法成功制备出新型的高效多相石墨烯铁酸铋(rG-BiFeO3)催化剂,并尝试在不添加H2O2的条件下进行光降解氨氮实验.结果表明,该复合光催化剂仍可接受可见光辐射,在rG和BiFeO3的协同作用下高效地光分解氨氮.由X射线衍射结果计算出rG-BiFeO3的平均粒径约为18.5 nm.通过清晰的rG-BiFeO3的透射电镜图可以观察到,BiFeO3纳米颗粒物较均匀地分散在rG的二维表面上.对比BiFeO3和rG-BiFeO3的傅里叶变换红外光谱可以发现,rG和BiFeO3之间可能形成了化学键.拉曼光谱结果表明,相对于纯的GO,rG-BiFeO3拉曼谱线的D带和G带发生了蓝移,表明石墨烯铁酸铋复合材料中的GO被充分还原成石墨烯.对比BiFeO3和rG-BiFeO3的紫外-可见漫反射光谱发现,rG-BiFeO3的漫反射光谱发生了红移,表明rG-BiFeO3光催化材料对可见光的响应程度进一步提高.比表面积测定表明,BiFeO3的比表面积为21.0 m2/g,而rG-BiFeO3催化剂的比表面积则增加到48.6 m2/g,说明rG-BiFeO3的吸附性能将得到很大提高.可见光催化反应结果表明,在不添加H2O2,pH=11的条件下,0.2 g rG-BiFeO3对50 mg/L NH3-N的降解率达到91.2%.动力学研究表明,BiFeO3光催化剂氧化氨氮反应遵循一级反应动力学规律.另外,由于BiFeO3纳米材料本身具有一定的弱磁性,所以BiFeO3和rG的复合材料也具有一定的磁性,较易回收.催化剂经过7次循环使用后,仍然具有很高的光催化活性.根据已有文献报道,吸附在催化剂表面的氨氮被氧化的路径有两条:(1)氨在被氧化为NH2,NH和N2Hx+y(x+y=0,1,2)等一系列中间产物后,最终被分解为氮气;(2)氨被氧化为中间产物HONH2,最终分解为硝酸盐和亚硝酸盐.本文利用紫外-可见分光光度计对rG-BiFeO3光降解体系下的氨溶液进行了全波长扫描,在206和211 nm处未检测到任何吸光度,从而排除了氨氮最终分解产物为硝酸盐和亚硝酸盐的可能性.这意味着rG-BiFeO3可见光降解氨体系符合第一种氧化路径.进一步的机理研究表明,反应过程中石墨烯与铁酸铋之间的协同作用所产生的空穴、超氧阴离子自由基和羟自由基共同将NH3直接氧化成N2,其中羟基自由基在整个氧化分解过程中起着最主要的作用.     

粒径可控的纳米铁酸铋的制备及其光催化性能

采用改进的聚丙烯酰胺凝胶法制备了BiFeO3纳米颗粒,利用热重-差热、红外光谱及X射线衍射等手段研究了干凝胶的热分解及BiFeO3的成相过程.结果表明,在600℃煅烧可制备出高纯的BiFeO3纳米颗粒.同时发现,随着双丙烯酰胺含量的增加,所得样品晶粒尺寸逐渐减小,从而制备出平均粒径约52～110nm的系列BiFeO3颗...     

多酸掺杂Bi2O3-x/Bi光催化剂用于高效可见光催化降解四溴双酚A和NO去除

四溴双酚A(TBBPA)是一种重要的塑料添加剂和阻燃剂,广泛用于树脂、塑料、胶黏剂以及涂料中.它不仅是持久性的机污染物,还是一种内分泌干扰物,具有免疫毒性、神经毒性和细胞毒性.NOx,特别是NO,是主要的大气污染物之一,是形成PM2.5的重要前体,也容易引起酸雨,引发光化学烟雾、臭氧损耗、温室效应等,严重危害生态环境和...     

Co-Fe/SBA-15与过一硫酸盐联用非均相催化降解水中染料罗丹明B

由于硫酸根自由基(SO4?-)的强氧化性,基于SO4?-的高级氧化技术受到人们的高度关注.采用过渡金属活化过一硫酸盐(PMS)产生SO4?-用以分解有机物,反应体系简单,反应条件温和,且不需要额外的能量供给,因此,成为人们优先选用的方法,其中,采用高效、环境友好的非均相过渡金属催化剂活化PMS处理难降解有机物成为研究热点.本文研究了非均相CoFe/SBA-15-PMS体系对水中难降解染料罗丹明B(RhB)的降解.以SBA-15为载体, Co(NO3)2·6H2O和Fe(NO3)3·9H2O为前驱物,采用一步等体积浸渍法制备了CoFe/SBA-15,通过X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、透射电镜(TEM)和振动样品磁强计(VSM)等对其进行了表征.考察了焙烧温度、Co与Fe的负载量对CoFe/SBA-15催化性能的影响和该催化剂的重复使用性能,还考察了RhB降解动力学及催化剂CoFe/SBA-15投加量、氧化剂PMS投加量和反应物(RhB和PMS)初始浓度对其性能的影响,探讨了RhB的降解机理.结果表明：对于催化剂CoFe/SBA-15,合成焙烧后在SBA-15上负载的Fe、Co化合物主要是CoFe2O4复合物,它作为催化剂的活性中心负载在SBA-15的孔道内外.制备的焙烧温度对CoFe/SBA-15催化性能几乎无影响,但对Co浸出影响显著.与SBA-15相比,催化剂10Co9.5Fe/SBA-15-700(Co和Fe负载量分别为10 wt%和9.5 wt%,焙烧温度700 oC)的比表面积、孔体积和孔径均减小,分别为506.1 m2/g,0.669 cm3/g和7.4 nm,但仍然保持SBA-15的有序六方介孔结构.该催化剂以棒状体的聚集态存在,聚集体直径大于0.25μm,其磁化强度为8.3 emu/g,因此,可通过外磁铁容易地从水中分离.相比之下,10Co9.5Fe/SBA-15-700具有最佳的催化性能和稳定性,可使RhB的降解率达到96%以上, Co的浸出量小于32.4μg/L.在CoFe/SBA-15和PMS共存下, RhB的降解符合一级动力学方程, RhB降解速率随CoFe/SBA-15和PMS投加量的增加和初始反应物浓度的减小而提高.淬灭实验结果表明,在CoFe/SBA-15, PMS和RhB水溶液体系中,存在的主要活性自由基为SO4?-,它是由CoFe/SBA-15活化PMS产生的,对RhB的降解起决定性的作用. RhB降解过程的UV-vis结果表明, RhB的降解途径主要是蒽环打开, SO4?-优先攻击RhB的有色芳香烃环,然后RhB进一步分解为小分子有机物. CoFe/SBA-15循环使用10次仍能保持高催化活性和稳定性,在每次反应中RhB的降解率均大于84%, Co和Fe的浸出量均分别小于72.1和35μg/L. CoFe/SBA-15作为高效、环境友好的非均相催化剂可有效地活化PMS产生SO4?-降解水中RhB,具有实际应用的潜力.     

纳米钒酸铋的微波快速合成及光催化性能研究

采用微波辅助加热法以NaVO₃溶液和Bi(NO₃)₃·5H₂O的硝酸溶液为反应物,在10～40 min内合成了纳米钒酸铋粉末。利用XRD、FTIR、TEM、UV-Vis等手段研究了反应时间对产物结构及形貌的影响。经测定反应10 min时,得到纯的四方相BiVO₄,随着反应时间的延长,逐渐出现单斜相的衍射峰,当反应40 min时,获得纯的单斜相BiVO₄。同时XRD和IR结果证明了相转变的过程。TEM分析表明不同的反应时间条件下样品呈现不同的形貌。不同反应时间下获得样品的光催化性能的结果表明,微波反应时间对BiVO₄结构的转变及光催化性能的改变起到了重要的作用。     

铋铁复合氧化物光催化材料的制备及其性能研究

采用共沉淀法制备了一系列铋铁复合氧化物光催化剂,并以可见光降解甲基橙为模型反应,研究其在可见光照射下降解甲基橙的光催化性能。详细考察了p H值、铋铁摩尔比、煅烧温度等对其光催化性能的影响。在优化条件下,铋铁摩尔比为2∶1、p H=3~4时制备出的样品具有较好的光催化性能,甲基橙的降解率可达到91.95%。     

AgNi双金属改性多面体钒酸铋的制备及光催化性能

采用简单的水热法制备了多面体钒酸铋(BVO)材料,又通过化学还原法首次在BVO上原位合成了一种小尺寸的AgNi双金属助催化剂并研究了其光催化性能。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、X射线光电子能谱(XPS)、光致发光(PL)光谱、N2吸附-脱附等手段对制备的AgNi/BVO材料的理化性能进行了表征。结果表明,AgNi双金属广泛负载在这种特殊形貌的BVO多面体表面,大大增加了金属的附着位点,同时AgNi负载也提高了BVO的结晶性。银表面等离子体谐振效应与镍的共格界面效应增强了BVO催化剂对可见光的吸收,增强了光生电子的分离,提高了光催化活性。光催化降解MB (亚甲基蓝)实验表明,当Ag、Ni的质量比为3∶1时,AgNi/BVO的催化活性最高,在可见光照射下其反应速率常数是BVO的5.4倍,该光催化剂在4次循环后仍能保持良好的光催化活性。     

AgNi双金属改性多面体钒酸铋的制备及光催化性能

采用简单的水热法制备了多面体钒酸铋（BVO）材料,又通过化学还原法首次在BVO上原位合成了一种小尺寸的AgNi双金属助催化剂并研究了其光催化性能。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、紫外可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、X射线光电子能谱（XPS）、光致发光（PL）光谱、N₂吸附-脱附等手段对制备的AgNi/BVO材料的理化性能进行了表征。结果表明,AgNi双金属广泛负载在这种特殊形貌的BVO多面体表面,大大增加了金属的附着位点,同时AgNi负载也提高了BVO的结晶性。银表面等离子体谐振效应与镍的共格界面效应增强了BVO催化剂对可见光的吸收,增强了光生电子的分离,提高了光催化活性。光催化降解MB （亚甲基蓝）实验表明,当Ag、Ni的质量比为3∶1时,AgNi/BVO的催化活性最高,在可见光照射下其反应速率常数是BVO的5.4倍,该光催化剂在4次循环后仍能保持良好的光催化活性。     

纳米尺寸铁酸锌半导体催化剂的表征及催化性能研究

采用改进的化学共沉淀法制备了不同平均粒径的ＺｎＦｅ２Ｏ４纳米晶体，利用Ｘ－射线衍射和透射电镜技术对其超微结构和表面形貌进行了研究．着重利用付里叶变换红外光谱和穆斯堡尔谱对其谱学特性（“量子尺寸效应”和“穆斯堡尔效应”）进行了研究，并详细探讨了纳米ＺｎＦｅ２Ｏ４催化剂对光催化性能的影响，得出了一些有意义的结论     

钴铁双金属基碳纳米管催化膜的制备及高效去除四环素

采用煅烧钴铁双金属的普鲁士蓝类似物(CoFePBA)的方法获得了包裹钴铁合金的碳纳米管催化剂(CoFe@Cs),然后使用真空抽滤制备复合催化膜。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射图谱(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等对样品的形貌及组成进行表征;以四环素(TC)为目标污染物对所制备的催化剂及催化膜的催化机理及性能进行测试。结果表明,改变煅烧温度可以有效调控碳纳米管催化剂的形貌及组成。在900℃煅烧温度下制备的碳纳米管催化剂(CoFe@Cs-900)主要产生以硫酸根自由基及单线态氧为主的活性氧物质,并可对TC进行快速的降解去除。由其组装的碳纳米管催化膜在24 h错流过滤中对TC的降解去除率大于99%,水通量保持在172 L/(m²·h),表现出优异的膜催化降解性能。     

过硫酸盐激活协同可见光催化降解四环素的机理和降解路径

为了提升微污染水体中抗生素的降解效率,利用过硫酸钠(PDS)激活协同手性介孔TiO₂可见光催化(PDS/vis-TiO₂)对四环素(TC)进行降解。详细对比研究了以手性TiO₂作为催化剂的PDS激活(PDS/TiO₂)、可见光催化(vis-TiO₂)和PDS/vis-TiO₂三种体系中,降解污染物的活性物种和污染物降解路径等的差异。结果表明,不对称的螺旋堆积结构在手性介孔TiO₂中引入了丰富的Ti³⁺,不仅提升了其可见光响应,同时能够激活PDS生成自由基。PDS/vis-TiO₂体系中光生空穴h⁺和·OH等多种自由基可以同时参与TC的降解,5 h内其对TC去除率可达到95%以上,远超PDS/TiO₂体系(TC去除率为48.9%)和vis-TiO₂体系(TC去除率为71.1%)。PDS加入到光催化体系中,会受到光生电子的激活而产生自由基,从而消耗光生电子,提升光生空穴和电子的分离率,达到协同增强污染物的降解能力。另外PDS激活后产生自由基也会大大增加体系对TC的降解性能。密度泛函理论计算和中间产物分析结果表明,TC在PDS/vis-TiO₂体系中的降解路径包含了光生空穴h⁺攻击TC的降解路径,同时也包括自由基攻击TC的降解路径。     

过硫酸盐激活协同可见光催化降解四环素的机理和降解路径

为了提升微污染水体中抗生素的降解效率,利用过硫酸钠（PDS）激活协同手性介孔TiO₂可见光催化（PDS/vis-TiO₂）对四环素（TC）进行降解。详细对比研究了以手性TiO₂作为催化剂的PDS激活（PDS/TiO₂）、可见光催化（vis-TiO₂）和PDS/vis-TiO₂三种体系中,降解污染物的活性物种和污染物降解路径等的差异。结果表明,不对称的螺旋堆积结构在手性介孔TiO₂中引入了丰富的Ti³⁺,不仅提升了其可见光响应,同时能够激活PDS生成自由基。PDS/vis-TiO₂体系中光生空穴h⁺和·OH等多种自由基可以同时参与TC的降解,5 h内其对TC去除率可达到95%以上,远超PDS/TiO₂体系（TC去除率为48.9%）和vis-TiO₂体系（TC去除率为71.1%）。PDS加入到光催化体系中,会受到光生电子的激活而产生自由基,从而消耗光生电子,提升光生空穴和电子的分离率,达到协同增强污染物的降解能力。另外PDS激活后产生自由基也会大大增加体系对TC的降解性能。密度泛函理论计算和中间产物分析结果表明,TC在PDS/vis-TiO₂体系中的降解路径包含了光生空穴h+攻击TC的降解路径,同时也包括自由基攻击TC的降解路径。