可磁回收的CoFe2O4@rGO@TiO2光催化剂的制备及掺杂改性研究

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本文针对纳米TiO2催化剂回收难、可见光催化活性低的问题,制备了非金属元素S和N共掺杂改性的可磁回收的CoFe2O4@rGO@TiO2复合催化剂。首先采用简单的一步水热法制备具有核壳结构的磁性石墨烯纳米复合物CoFe2O4@rGO(CFG);再以TBOT为Ti源,通过改进的蒸汽热法制备TiO2包覆CFG的三元复合催化剂CoFe2O4@rGO@TiO2(CFGT)。以光催化降解甲基橙效率为指标,对制备CFGT的工艺条件如GO含量、TBOT含量、去离子水含量、反应温度及反应时间等进行了优化。结果表明,当CoFe2O4与GO的质量比为5:1、CFG与TBOT投料比为1:16、20 ml去离子水、180℃反应16 h时,所制备的CFGT紫外光催化性能较佳。FETEM结果表明,CFGT是具有核壳结构的球形颗粒,其粒径约为220 nm、壳层约40nm; VSM结果显示其饱和磁化值(Ms) 3.0emu·g-1,具有超顺磁性。为了改善催化剂CFGT的可见光催化活性,分别以尿素和硫脲为掺杂剂合成了 N掺杂的CFGT催化剂(CFGT-N)和S、N共掺杂的CFGT催化剂(CFGT-S/N)。结果表明:N掺杂可使CFGT的可见光光催化活性有一定的改善;S、N共掺杂可使CFGT的可见光光催化活性大大提高。在硫、钛摩尔比为1:3、180℃反应36 h时,所制备的CFGT-S/N在紫外光2h和可见光6 h照射下对甲基橙的降解率均能达到100%,而P25可见光下6h降解MO的效率仅为73.1%。此外,CFGT-S/N对MO、MB和Rh.B等有机染料均有很好的降解效果;CFGT-S/N还具有良好的稳定性能,循环使用5次后,紫外光和可见光下催化降解MO效率分别达到了93.1%和96.1%。XRD表明CFGT-S/N中的Ti02为锐钛矿型,CoFe2O4为尖晶石结构;FETEM结果显示CFGT-S/N是具有核壳结构的球形颗粒,粒径在160-200 nm之间,其中壳层TiO2约为15nm; XPS和FT-IR结果表明,S、N在TiO2晶格中取代O分别形成了 S-Ti和O-Ti-N键;UV-Vis DRS发现样品的吸收边发生明显的红移,带隙能减小为1.73 eV,同时对可见光的吸收增强;VSM测得CFGT-S/N的饱和磁化强度为(Ms) 1.7 emu·g-1,可以在外加磁场下回收再利用。由于S、N共掺杂和窄半导体CoFe2O4在拓宽CFGT-S/N光响应范围的同时增强了其对可见光吸收,rGO的引入不仅有效抑制催化剂的光溶解还增强对有机物的吸附。因此S、N共掺杂以及rGO和CoFe2O4的协同作用使CFGT-S/N具有优异的紫外-可见光催化活性和良好的磁回收性能。
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