金属有机框架MIL-101的改性及其有机物脱除性能的研究

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金属有机框架(Metal-organic frameworks,MOFs)由于具有大的比表面积、高的孔隙率和丰富的活性位点等特性,成为高效光催化剂的前驱体。通过直接煅烧MOFs得到的MOFs衍生的多孔碳材料,不仅继承了MOFs材料的特点,而且具有良好的导电性和稳定性,因此在光催化领域引起了人们的关注。然而,MOFs及其衍生的多孔碳材料常具有较大的禁带宽度,在可见光照射下不易被激发,导致光催化性能较低,有效的策略是采用半导体改性来提高性能。因此,本文将α-Fe2O3与MOFs及其衍生的多孔碳相复合获得高性能的光催化剂,具体研究结果如下:首先,本文成功地合成了MIL-101(Cr),再通过水热法制备了一系列α-Fe2O3(C)/MIL-101(Cr)复合光催化剂。由X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)可知,与单一相α-Fe2O3比较,复合光催化剂中α-Fe2O3具有较小的颗粒尺寸而比表面积大幅提升,达948.6 m2/g。通过捕获实验,带边位置分析和电子自旋共振(ESR)测试说明α-Fe2O3和MIL-101(Cr)之间形成了Z-型异质结。进一步通过高分辨透射(HRTEM)和X射线光电子能谱(XPS)检测到了α-Fe2O3和MIL-101(Cr)之间存在界面交互作用,证明直接型Z-型异质结的形成。在可见光照射下,加入10 mg的a-Fe2O3(0.3)/MIL-101(Cr)复合光催化剂,可在180 min内将卡马西平(CBZ)完全降解。其次,本文在上述研究工作的基础上引入了碳量子点(NCDs)成功制备了α-Fe2O3/MIL-101(Cr)/NCDs复合光催化剂。通过荧光光谱(PL)、紫外可见漫反射(UV-vis DSR)和ESR等表征结果表明NCDs的引入加速了光生电子-空穴对的分离与转移,抑制了光生载流子的复合,拓宽了复合材料的光吸收范围,促进光催化性能的提升。在可见光照射下,加入10 mg的a-Fe2O3(0.3)/MIL-101(Cr)/NCDs(2)复合光催化剂,能够在60 min内将CBZ完全降解。最后,本文通过直接煅烧MIL-101(Cr)制备了多孔碳材料Cr@C,再通过水热法制备了系列α-Fe2O3(C)/Cr@C复合光催化剂。样品的理化性质表征结果说明Cr@C基多孔碳材料中存在p型半导体Cr2O3相,且与n型半导体α-Fe2O3相结合形成了p-n异质结,有效地转移光生载流子。在可见光照射下,加入6 mgα-Fe2O3(0.3)/Cr@C900复合光催化剂,CBZ溶液在180 min内完全降解。
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