有机元素掺杂改性LaFeO3钙钛矿催化剂的制备及降解部分模拟废水的性能研究

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钙钛矿(ABO3)类材料因价格低,适应性强和热稳定性好等特性而在催化领域引起了关注。其中LaFeO3材料具有较宽的带隙、高的化学稳定性、以及优异的可见光响应等优势而在有机物的催化降解领域具有优异的催化活性。继续开发制备工艺简捷、过程绿色、性能高效的用于水体污染物氧化降解的钙钛矿基复合催化剂具有重要的研究价值。本文分别报道了一种使用固相研磨法和原位掺杂相结合的一锅法制备的有机C、N元素掺杂的LaFeO3钙钛矿复合材料(LFCN材料);其次在LFCN材料基础上应用固相研磨法同聚苯胺复合,制得PAn/U-LFCN0.66新型催化剂。分别考察了上述材料在降解腐殖酸废水、孔雀石绿废水中的催化性能。通过XRD、IR、SEM、TEM、XPS和固体紫外等表征手段揭示了新型催化剂的电子结构以及催化机制。具体研究内容如下:(1)使用固相研磨原位掺杂法和低温焙烧相结合的方法分别制备了以尿素、三聚氰胺、双氰胺、石墨四种不同C、N来源掺杂的LaFeO3型钙钛矿材料(LFCN)。以对人工配置的腐植酸废水溶液的降解能力为衡量标准,评价了上述三种催化剂的催化性能。系统的研究了掺杂量对LFCN催化剂结构和催化性能的影响机制。研究结果表明以尿素为C、N来源制备的LFCN材料的催化活性更高。LFCN材料对腐植酸的氧化降解在自然光条件下就可以高效的去除水体中的腐植酸污染物。催化剂在重复回收使用5次后依旧保持良好的性能,并且在放大降解反应中也保持稳定的效果。通过对材料的表征以及降解机理的分析研究,推测LFCN材料在经过有机C、N元素的原位掺杂后一定程度的调整了原本LaFeO3钙钛矿材料的电子结构,增强了其晶格氧的氧化能力,因此LFCN材料在黑暗条件(无光)下具有优异的氧化能力。本章节所报道的材料的合成路线与研究结论将为钙钛矿材料在水体中有机污染物催化降解领域的应用带来新的思路。(2)以U-LFCN0.66催化剂为基础材料,在H2O2、过硫酸盐(PS)、H2O2/PS等高级氧化条件下对铬黑T及孔雀石绿等有机废水的降解能力为衡量标准评价,得到了最佳的降解工艺。在这项研究中,研究了单独使用U-LFCN0.66催化剂、H2O2、PS以及催化剂在不同环境下的催化降解效果,并采用绿色环保的思路,尽最大努力用H2O2顶替PS,达到最优的降解效果。结果表明,使用5 mg U-LFCN066催化剂、20 mLH2O2、1 mg PS时,降解铬黑T及孔雀石绿废水的降解率都达到了 80%以上,明显优于单一条件下的降解效果,并且在放大条件下,依然有较高的降解率。(3)采用化学氧化聚合法制备了 PAn/U-LFCN0.66复合材料。无机-有机杂化材料可以结合两种(无机-有机)成分的优点,并通过对其中一种成分进行改性来提供特殊性能。钙钛矿材料和有机高分子聚苯胺材料成分的整合通过将无机化合物插入有机基质中来实现。通过X射线衍射、傅里叶变换红外(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析探索了样品的结构、振动、形态、光学特性。由于LaFeO3的存在获得的复合材料具有高的结晶性质,并保留了 Pbnm空间群的正交结构,且具有聚苯胺材料的颗粒特性。上述材料在催化降解茜素红、甲基橙等废水溶液的应用中表现出明显的催化效果。
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