氧化铁基材料设计及其可见光催化性能研究

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光催化技术借助光催化剂,能够直接利用太阳能将有机污染物矿化,从而实现有机废水的经济、绿色、高效净化处理,在废水处理领域具有广阔的应用前景。在众多光催化材料中,氧化铁(Fe2O3)作为一种优异的可见光催化材料,因其含量丰富、稳定无毒、廉价易得、赋有磁性和易于分离回收等优点,在光催化领域具有巨大的应用潜力。本研究着眼于Fe2O3基材料,针对其电子空穴复合率高的物性问题与难以大规模应用的工业问题,通过空间结构调节和异质结构建,制备出了一系列高可见光催化活性的Fe2O3基材料。首先,受高活性催化剂P25的启发,采用简单的水热合成结合退火调控的方法,成功制备得到了一系列晶型比例不同的α/γ-Fe2O3同素异质结。为了实现晶型比例简便定量计算,提出了一项基于XRD表征的经验方程。同时采用TEM、BET、UV-Vis光谱、PL光谱、EPR等手段对所制备材料进行了系统表征。得益于其交错型能带结构,78 wt%α-Fe2O3含量的α/γ-Fe2O3同素异质结展现出较纯相Fe2O3更为高效的可见光降解能力。其次,考虑到上述水热合成制备方案中存在能耗较高和有机溶剂大量使用等问题,从材料性能及经济性角度出发,分别采用热分解法、传统的水热法和化学沉淀法制备了四种不同的Fe2O3材料。基于同一实验条件详细对比分析了材料的结构形貌、表面性质、光化学特性、降解效率等理化性质。通过制备方案经济分析,发现化学沉淀法得到的C-Fe2O3是现阶段性能较优、成本较低、具有一定工业化研究价值的Fe2O3光催化剂。最后,为了更进一步增强Fe2O3材料的光催化活性,基于Fe2O3性能评价与α/γ-Fe2O3同素异质结构建,采用需氧油相循环磁吸附法,成功将化学沉淀法制备得到的Fe2O3纳米粒子均匀地负载进入Ti O2纳米管内,得到Fe2O3@Ti O2异质结构。在此基础上,系统考察了Fe2O3含量对复合材料降解性能的影响,并推测了反应过程中污染物的降解途径。最终,通过对反应前后催化剂性质分析发现,需氧油相循环磁吸附法可以显著抑制Fe的光溶解程度,进而有效提高材料的稳定性和再利用性。
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