Fe3O4@HNTs的制备及其Fenton反应机理研究

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非均相Fenton反应中,具有“纳米限域”效应的微纳反应器克服了传统非均相Fenton催化剂有效自由基运动距离大、淬灭快的不足,较传统非均相Fenton催化剂,微纳反应器对有机污染物的去除效率更高。本研究利用柠檬酸(CA)修饰的Fe2+阴离子配体与天然埃洛石纳米管(HNTs)内正电性Al-OH层的相互吸引作用,并通过水浴的方法在HNTs内原位生长Fe3O4纳米颗粒,制备了Fe3O4@HNTs微纳反应器。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、比表面积(BET)、振动样品磁强计(VSM)等测试技术分析了微纳反应器的物相组成、微观形貌和磁性能。以酸性品红(AF)作为目标污染物,系统研究了微纳反应器Fe3O4@HNTs的Fenton反应效能,并对反应过程动力学进行了探究。借助紫外吸收光谱(UV-vis)、DFT理论计算以及不同体系AF脱色率、铁离子溶出量、H2O2分解效率、自由基捕获测试和·OH产出量分析,提出了Fe3O4@HNTs催化降解AF的非均相Fenton反应机理。表征结果表明Fe3O4@HNTs最佳制备条件:复合材料Fe3O4负载量50%,合成温度95℃,合成时间3 h。非均相Fenton实验表明,Fe3O4@HNTs降解AF最佳反应条件:AF初始浓度50 mg/L、催化剂用量0.5 g/L、H2O2浓度19.59 m M、p H=5,此条件下,AF在120 min内脱色率可达100%。Fe3O4@HNTs降解AF的非均相Fenton反应动力学研究表明:AF降解过程遵循Behnajady-Modirshahla-Ghanbery(BMG)动力学模型。自由基捕获实验表明:·OH和~1O2为Fenton反应的主要活性自由基,且影响AF降解的自由基顺序:·OH>~1O2。机理研究表明:AF分子的降解主要分为两步,染料分子在Fe3O4@HNTs内腔的扩散、富集和Fe3O4活性物质引发的非均相Fenton反应。高效快速的Fenton反应效果归因于Fe3O4@HNTs的“纳米限域”效应,微纳空间的存在增大自由基有效浓度的同时减小了Fe2+/Fe3+转换的吉布斯自由能。
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