Fe3O4/g-C3N4复合光催化剂的制备及其催化性能的研究

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近年来,石墨相氮化碳(g-C3N4)因其具有合适的禁带宽度,可利用可见光,大大提高了太阳光的利用率,并且其组成元素在自然界中含量丰富,因此g-C3N4备受人们的关注。然而g-C3N4作为光催化剂还存在一些问题,如光生电子-空穴对复合率高、回收困难、重复使用率低等,这些问题一直是研究人员迫切解决的难题。针对上述g-C3N4存在的问题,本文以三聚氰胺、尿素为前驱体,采用高温煅烧法,制备出形貌显著、片状结构的g-C3N4单体;Fe3O4制备方面,以六水三氯化铁为铁源,乙二醇为反应溶剂,聚乙二醇作为分散剂,辅以溶剂热法,制备出粒径均一、具有铁磁性的Fe3O4微球。复合材料方面,采用高温煅烧法分别合成Fe3O4/g-C3N4磁性复合材料和g-C3N4/TiO2复合材料以及Fe3O4/g-C3N4/TiO2三元复合催化剂。采用X-射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、紫外-可见光漫反射吸收光谱(UV-Vis/DRS)、扫描电子显微镜(SEM)和振动样品磁强计(VSM)等方法对各阶段不同样品的物相组成、表面性质、形貌和磁性强度进行了表征;以亚甲基蓝(MB)作为模拟污染物,利用其评价各阶段催化剂样品的光催化活性,以及Fe3O4/g-C3N4和Fe3O4/g-C3N4/TiO2复合材料的磁回收性能。通过研究,得到以下结论:1.通过高温煅烧法制备的Fe3O4/g-C3N4磁性复合材料中,Fe3O4微米颗粒均匀的分布在g-C3N4片状结构表面,有利于在可见光照射下,g-C3N4产生的光生电子的转移,从而提高了Fe3O4/g-C3N4复合材料的可见光催化活性;同时利用Fe3O4的磁性特性,实现了Fe3O4/g-C3N4复合材料的磁性回收以及循环使用。2.用所制备的Fe3O4/g-C3N4磁性复合材料对MB进行可见光催化降解,探讨了复合材料中g-C3N4和Fe3O4不同的质量比、煅烧温度、煅烧时间、催化剂投加量、MB的初始浓度、溶液pH值等对催化剂催化活性的影响,同时对该催化反应进行了初步的机理研究。结果表明:1)Fe3O4/g-C3N4复合材料中,当Fe3O4和g-C3N4的质量比为1:4时,复合材料的催化活性最高,而此时复合材料的回收性能较弱;最终选择质量比为1:3作为最佳配比,此时,对初始浓度为10mg/L的MB溶液,1g/L的g-C3N4/Fe3O4复合材料120min内的可见光降解效率为59.9%。2)在MB初始浓度为10mg/L时,通过单因素实验得出最佳煅烧温度为450℃,最佳煅烧时间为2h。3)通过对Fe3O4/g-C3N4复合材料进行5次回收循环使用后,得出结论,催化剂的磁回收效率仍在87%以上,具有稳定的磁回收性能。由于催化剂在降解过程中存在光腐蚀现象导致Fe3O4损耗,循环使用后的复合催化剂的催化活性降低了46%。3.采用高温煅烧法制备的g-C3N4/TiO2复合催化剂具有较好的催化活性,其中g-C3N4/TiO2质量比为4:1时具有最高的催化活性。4.本文所制备Fe3O4/g-C3N4/TiO2三元复合催化剂同时具备了较高的磁回收性能和催化活性。
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