FeBC体系非晶合金对亚甲基蓝染料降解性能研究

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合成染料广泛应用于生活中,然而大多数染料易溶于水,造成严重的水体污染,危害人类健康,因此降解净化染料废水对环境保护和人类健康具有重要意义。近年来,Fe、Co、Mg和A1-基等非晶合金已被证明在染料废水处理中具有优异表现,且与晶态合金相比可以提供更多的反应活性位点,对染料分子分解能力更强。其中低成本、原材料充足的Fe基非晶由于其出色的催化降解性能,包括高效、稳定和环境友好等受到广泛关注。尤其在类芬顿反应中可以短时间内对染料分子完成降解。但类芬顿反应是在强氧化环境下进行,条带表面存在严重腐蚀问题,尤其氧化层和降解产物覆盖条带表面,对降解效率和使用寿命产生影响。本文立足于如何降低氧化层对Fe基非晶条带降解性能的影响,制备并使用Fe81B10C9非晶条带通过类芬顿反应来降解亚甲基蓝(MB)染料,通过不同表征手段深入研究影响降解性能的主要因素和相关机理,并通过等温退火处理和成分调控来实现降解性能的优化,具体内容包括以下几个方面:(1)探讨了 Fe81B10C9和Fe81B10P9非晶条带在类芬顿法降解MB染料过程中腐蚀行为对降解性能的影响。结果表明,Fe81B10C9条带具有更优异的降解性能和低的降解活化能,在可重复性实验中循环使用20次后,仍能在20 min内有效降解MB染料,且循环周期具有更长的降解稳定期。通过SEM观察到Fe81B10C9条带降解过程中表面形成独特的腐蚀形貌,分布着大量规则星形腐蚀坑,不仅可以增加条带的比表面积,提高降解活性,而且腐蚀坑周围降解产物和氧化层易剥离,实现了条带表面的自清洁,延长使用寿命。EDS和XPS结果表明,C元素在星形腐蚀坑的形成与演变中起着重要的作用。(2)通过对Fe81B10C9非晶条带在不同温度下进行等温退火处理,研究了退火温度对条带降解性能的影响。研究发现,经523 K等温退火处理后的条带具有更好的降解性能。通过EPMA和TEM发现了经523 K退火后的条带表面出现富含小原子(B/C)的纳米级化学不均匀层。SEM图谱和电化学性能分析可知富小原子层的存在一方面使得降解反应中条带表面生成的氧化层更容易剥落,另一方面与非晶基体之间的化学不均匀性形成了原电池结构,可以加速电子的转移能力,提高降解活性。(3)通过向Fe-B-C非晶合金体系添加金属元素Al、Cr、Cu和Mn,探究金属元素的添加对条带降解 MB 染料性能影响,结果发现(Fe0.81B0.1C0.09)Cu1和(Fe0.81B0.1C0.09)98Cr2条带的降解性能最为突出。电化学测试结果表明Cu元素的添加,提高条带电子转移能力,SEM图谱显示其降解后表面分布更密小的活性位点,而Cr元素的添加能够保护非晶条带表面,在降解过程中表面保持金属光泽,在循环使用中一直保持高的降解速率,但过多Cr的添加也会降低条带自身的反应活性。
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