石墨烯负载酞菁钴包裹四氧化三铁光芬顿降解四环素的研究

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光芬顿技术是一种操作简便且环境友好的高级氧化技术,其产生的羟基自由基及其他反应活性物种常用于难降解有机污染物的处理,因此光芬顿技术现已在环境污染治理领域得到了广泛应用。但是传统光芬顿技术在应用中存在Fe2+与Fe3+之间转换速率慢、H2O2利用率低以及芬顿试剂难以回收利用等缺陷。为了解决这些问题,本文制备了一种磁性核壳结构的材料Fe3O4@GO-CoPc,该催化剂是以Fe3O4(四氧化三铁)为核,GO(氧化石墨烯)为夹层,CoPc(酞菁钴)为壳的非均相光芬顿催化剂。Fe3O4的存在使得材料具有良好的磁性,反应后可以简单快速地回收,GO的引入则加速了Fe2+与Fe3+之间的循环以及提高了H2O2的有效利用率(即H2O2转化为·OH的效率)。并对该催化剂的形貌结构、催化活性、机理等进行了系统的研究,具体研究内容及结果如下:(1)采用同步固载与合成法成功制备了核壳结构Fe3O4@GO-CoPc非均相光芬顿催化剂,通过XRD、FTIR、SEM、TEM、BET、磁饱和强度等测试手段对催化剂的晶体结构、形貌、表面化学成分、比表面积及孔结构、磁性等进行了分析。XRD和FTIR结果显示已成功制备了Fe3O4@GO-CoPc催化剂;SEM和TEM显示催化剂Fe3O4@GO-CoPc具有核壳结构;BET显示催化剂Fe3O4@GO-CoPc的比表面积为93.16 m~2/g,且具有微孔和介孔混合孔结构;磁饱和强度测试显示催化剂的磁饱和强度为22.4 emu/g且利于回收。(2)以四环素为目标污染物,考察了Fe3O4,GO,CoPc,Fe3O4@GO,GO-CoPc,Fe3O4-CoPc,Fe3O4@GO-CoPc七种催化剂的光催化与光芬顿性能,结果显示Fe3O4@GO-CoPc降解四环素的效果明显优于其他催化剂,且Fe3O4@GO-CoPc的光芬顿效率优于其光催化效率。通过研究Fe3O4@GO-CoPc光芬顿体系的影响因素实验得到最适实验条件,在p H为6,H2O2浓度为5 mmol/L,Fe3O4@GO-CoPc用量为0.4 g/L,光照强度为500 W的最适实验条件下,当光反应90 min时,四环素降解率高达99%;光反应120 min时,其矿化率达58%。(3)通过活性物种捕获实验、自由基定量实验、荧光光致发光、电化学等手段对反应体系的机理进行了研究。活性物种捕获实验表明羟基自由基和超氧自由基为体系的主要活性物种,但空穴和单线态氧也不可忽略。电化学测试证明了GO在体系中起到了促进电子传递的作用。最后根据上述实验结果推测了体系的简化机理。
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