氧空位铁钴复合催化剂活化过硫酸盐降解双酚A的机理研究

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铁钴复合金属催化剂基于不同金属离子之间的协同作用,可强化对过硫酸盐的催化活性。在催化剂中引入氧空位,可以促进不同金属价态间的氧化还原循环,提高催化效率。层状双金属氢氧化物(LDHs)催化剂可以拓宽催化体系的pH适应范围。本研究创新性地将氧空位引入到Fe-Co复合催化剂中,制备了尖晶石结构和LDHs结构的Fe-Co复合催化剂活化过硫酸盐,降解水中的双酚A(BPA),探究催化剂的活化机理和BPA的降解路径。利用溶胶凝胶法制备得到铁酸钴前驱体,将其在氢气氛围中煅烧得到氧空位铁酸钴催化剂。表征结果表明,催化剂为尖晶石结构,具有丰富的氧空位。采用氧空位铁酸钴催化剂活化过一硫酸盐(PMS)降解BPA,200-HCFO/PMS体系对BPA的去除率为98%,该体系的pH适应范围广(3-11)。体系中的主要自由基为SO4·-和·OH,催化降解反应主要发生在催化剂表面。氧空位不仅可以和溶解氧反应生成1O2和O2·-,还可以促进体系中的电子转移,进一步促进Co3+/Fe3+和Co2+/Fe2+之间的氧化还原循环,从而提升催化效率。表面羟基对PMS的活化具有重要作用,可以拓宽PMS催化体系的pH适应范围。采用氧空位铁酸钴催化剂活化过二硫酸盐(PS)降解BPA,200-HCFO/PS体系对BPA的去除率为98%,但该体系的pH适应范围较窄(3-7)。200-HCFO/PS体系中的氧空位作用机理、自由基种类和200-HCFO/PMS体系类似,但是表面羟基和PS相互作用较弱,因此该体系pH适应范围较窄。为了进一步拓宽铁钴催化剂/PS体系的pH适应范围,制备得到氧空位Fe-Co LDHs催化剂。表征结果表明该催化剂具有较高浓度的氧空位和表面羟基,以及良好的电化学和光学性能。Fe2Co1-LDH/PS体系对BPA的去除率达到99.67%。LDHs的层状结构含有大量的表面羟基,可以强化表面羟基和PS之间的相互作用,因此Fe2Co1-LDH/PS体系具有广泛的pH适应范围(3-11)。且在酸性和中性状态下,主要由Fe2Co1-LDH表面的金属离子活化PS生成SO4·-降解BPA;在碱性条件下,由氧空位、表面羟基和过渡金属之间的协同作用生成·OH降解BPA。
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