铁基光/电芬顿反应催化剂的构筑及其性能研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:sayaka66
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光芬顿和电芬顿是高级氧化工艺中的热门技术,是处理持久性有机污染物的有效方法。α-Fe2O3由于带隙窄,光响应效果好而在光芬顿领域得到广泛应用,但是依然面临光利用率低,H2O2消耗量大,电子-空穴复合速率快和结构稳定性差等缺陷。在电芬顿反应中,Fe S2由于较强的氧化还原能力和自主调节p H的能力被认为是理想的阴极材料。然而,Fe S2依然受两电子氧还原反应的选择性差,导电性弱和循环稳定性不足等限制条件的影响。此外,Fe S2的光反应活性未在电芬顿体系中得到利用。因此,开发光反应活性高、电子迁移速率快和H2O2利用率高的α-Fe2O3基光芬顿反应催化剂,以及导电性好、光利用率高和两电子氧还原选择性高的Fe S2基光-电芬顿催化剂具有重要意义。针对α-Fe2O3在光芬顿反应中的应用限制,我们利用α-Fe2O3负载Pd纳米颗粒,并将其包覆在RGO中,制备了一种新型Pd/α-Fe2O3@RGO复合材料,该材料具有良好的芬顿性能,并且降解效率在光芬顿体系中得到进一步提高。Pd和RGO的共同修饰解决了α-Fe2O3在光芬顿反应中载流子寿命短,光吸收效率低等缺点。同时,Pd还能催化甲酸和O2原位生成H2O2,避免持续投加H2O2的缺陷。α-Fe2O3的粒径(60-80 nm)和RGO的质量分数(20 wt.%)也得到优化,Pd/Fe2O3-1@0.20GRF对AR73(150 mg/L,50 m L)表现出最佳的光芬顿反应降解性能(100%,60 min),紫外漫反射光谱结果表明催化剂具有较强的光利用能力,且光电流、电化学阻抗谱和光致发光光谱的表征证明了载流子的有效传输和电子-空穴复合的有效抑制。RGO的包覆结构有助于提升光吸收效率,并在连续5次反应后保持良好的稳定性(98.0%)。此外,为了解决Fe S2在光-电芬顿反应中的应用缺陷,我们制备了一种新型Fe S2 NWs/Ti3C2复合材料作为阴极,在光-电芬顿反应中降解磺胺甲嘧啶。我们还比较了不同晶相(黄铁矿、磁黄铁矿和四方硫铁矿)的硫化铁纳米线对光电化学性质和光-电芬顿反应性能的影响,其中黄铁矿表现出最佳的光电反应活性和降解效率。优化后的Fe S2 NWs/Ti3C2(Fe S2:Ti3C2=2:1)阴极在80 min内对磺胺甲嘧啶(10 mg/L,100 m L)表现出最佳的PEF反应降解性能(97.6%)。紫外漫反射光谱验证了Fe S2具有优越的光响应能力,并在Ti3C2的修饰下光吸收效率进一步提升。光电流和电化学阻抗的结果表明,黄铁矿具有低电阻和电荷转移快的特性,而Ti3C2的修饰进一步提高了复合材料的电导率。Fe S2 NWs/Ti3C2的1D-2D材料结构有利于黄铁矿纳米线在Ti3C2表面的分散固定,并且具有较好的反应稳定性。在连续5次循环反应后,Fe S2NWs/Ti3C2阴极仍保持了92.8%的初始性能。旋转圆盘电极结果表明,Fe S2 NWs/Ti3C2阴极对两电子氧还原反应具有良好的选择性,保证了H2O2的生成。自由基清除实验证明了光-电芬顿体系的主要氧化剂是·OH。本文有效解决了α-Fe2O3在光芬顿反应中光反应活性低,H2O2消耗量大和载流子寿命短等反应缺陷,以及Fe S2在光-电芬顿反应中两电子氧还原选择性差,导电性弱和稳定性不足的应用限制,为制备高效、稳定的光芬顿催化剂和光-电芬顿反应催化剂提供了新的思路。
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