含铁层状双金属氢氧化物薄膜的制备及光催化性能研究

发布时间：2020-08-11 16:48

【摘要】：为了解决层状双金属氢氧化物(LDHs)材料光生电子空穴对易复合、易团聚、回收利用困难等问题,本文采用原位生长法和涂覆法制备了不同组成的LDHs薄膜,并对LDHs薄膜进行掺铁改性。研究了制备方法、LDHs层板组成和铁离子掺杂对LDHs薄膜的结构、形貌和光催化性能的影响。并研究了LDHs薄膜在两种污染物共存时的光催化降解规律,为光催化降解有机污染物提供理论依据和技术基础。1.采用原位生长法制备了四种组成的LDHs薄膜,探讨了金属离子种类和添加剂对LDHs薄膜生长习性的作用规律。实验结果表明,层板金属离子对应的氢氧化物的溶度积影响金属离子的沉淀顺序和沉积量,从而导致LDHs薄膜呈现不同的形貌。层板组成为NiAl和MgAl时,形貌更接近LDHs的六边片层形状。加入添加剂NH_4F调控LDHs的生长习性,使LDHs片的ab面沿垂直导电布方向生长,形成具有丰富孔隙的薄膜;组成为NiFe的薄膜形貌在调控前后变化很大,球形团聚体变成片状结构堆积;组成为CoAl的薄膜在调控后为片卷曲形成针状形貌。2.采用涂覆法制备了四种组成的LDHs薄膜,探究了金属离子种类对LDHs薄膜生长习性的作用规律。实验结果表明,组成影响薄膜的结构:组成为NiAl、Ni Fe和CoAl的薄膜均为片层结构的LDHs相,组成为MgAl的样品快速生成氟化氢铝,未生成LDHs结构;组成影响LDHs薄膜的形貌:组成为NiAl或NiFe时,片状颗粒垂直团聚成球,形成丰富的均匀孔隙,且孔径小,比表面积大;组成为CoAl时,样品的结晶性差,片状颗粒间距近,比表面积、孔体积、孔径均很小。3.采用水浴加热法对LDHs薄膜进行掺铁改性,研究了制备方法、层板组成对掺杂改性LDHs薄膜的物相、形貌和结构的影响,探究了掺杂铁离子的位置及其在光催化降解甲基橙中的作用。掺杂改性后,涂覆法制备的LDHs薄膜物相不变,但是形貌发生变化,其变化规律随LDHs组成不同而不同:改性后,组成为NiAl的薄膜形貌差别不大,比表面积增大;组成为NiFe的薄膜,片状颗粒相互平行,片与片之间的距离减小,比表面积减小;组成为CoAl的薄膜,片状颗粒团聚成花簇状,孔径增大,比表面积增大。而铁离子掺杂对原位法制备的四种组成的LDHs薄膜的物相和形貌影响不大。铁离子在LDHs薄膜中以两种形式存在,部分Fe(Ⅲ)取代了层板中的Al(Ⅲ),另一部分以游离态附着在样品表面,为光催化反应提供更多的氧化还原位点。同时丰富的孔隙和大比表面积为光催化反应提供更大的接触面积,提高样品的光催化性能。4.以有机染料甲基橙为降解对象,研究了层板组成(NiAl、MgAl、NiFe、CoAl)、制备方法、铁离子掺杂改性及共存Ag离子对LDHs薄膜光催化降解有机染料的影响规律,并阐明掺杂铁离子在光催化过程中的作用。实验结果表明:LDHs薄膜组成方面:具有还原位的金属离子,如Ni(II)和Co(II),可作为光生电荷陷阱,提高光生电子空穴对分离,有利于提高薄膜的光催化效率;制备方法方面:原位生长法制备的薄膜与基体结合好,能够充分利用导电布基体的良好导电性,有利于光生电荷之间的运输,使该类薄膜具有较高的光催化降解率;铁离子掺杂改性方面:铁离子掺杂对不同方法制备的薄膜呈现不同的作用趋势。改性后的原位法制备的薄膜,掺杂的铁离子成为光生电子-空穴对的复合中心,从而降低了光催化降解率,而涂覆法制备的薄膜,掺杂铁有利于光生载流子的分离,有效提高了光催化降解率;共存Ag离子方面:银离子与甲基橙共存时促进LDHs对甲基橙的光催化降解;掺杂铁离子的存在有利于协同作用增强,进一步提高了甲基橙的光催化降解率。随着Ag~+浓度的增加,协同增强作用的效果越明显,光催化降解率提高;稳定性方面:光催化后LDHs薄膜的形貌与结构没有明显变化,具有良好的稳定性。
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;O643.36
【图文】：

2-1 导电布的放置示意ematic diagram of conduct表 2-3 样品的制备条件3 Experimental conditioNH4F 反应条件无110℃8h 无 无 有 有 有 有

M）射到非常薄的样品中，电子与样品中的原子发生。实验采用 FEI-Tecnai G2 场发射透射电子显微选区电子衍射分析（SAED）、高分辨透射电镜DS）。分析生长法制备的 LDHs 薄膜 XRD 图谱。NiAl-Y 和体（图 2-2a）差别不大，NiFe-Y 谱图平缓，均没5~30°间的凸起均为导电布基体的衍射峰，无 L的样品太薄，检测不到相应的衍射峰[11]。

山东理工大学工程硕士学位论文 第二章 原位生长法制备 LDHs 薄采用傅里叶红外光谱（FT-IR）对样品进行分析。图 2-3 为样品的 FT-IR 谱图与导电布基体的红外光谱（图 2-3a）进行对比，NiAl-Y 在 3449.3 cm-1处的吸收峰金属氢氧化物层板上羟基 O-H 的伸缩振动（图 2-3b），由于层板羟基易与层间水子形成氢键，导致该吸收峰发生明显的宽化和红移（自由状态下羟基 O-H 的吸收为 3600 cm-1）[12]；此外，红外光谱中在 1631.7 cm-1处还存在吸附水中 O-H 的弯曲动峰[13]。1352.5 cm-1处的吸收峰属于 CO32-的特征吸收峰（自由状态下 CO32-的吸收为 1450 cm-1），由 C=O 的不对称伸缩振动导致[14]，对应在 1137.5 cm-1处的吸收峰其对称伸缩振动导致的[15]，说明 LDHs 层间吸附的是 CO32-阴离子；760.7 cm-1、68cm-1处存在吸收峰，归因于 LDHs 层板上的 O-M-O 和 M-O-M 键的弯曲和伸缩振[16-18]。MgAl-Y（图 2-3c）在 3407.6 cm-1、1353.4 cm-1、1127.1 cm-1、761.2 cm-1、78cm-1、684.7 cm-1处，NiFe-Y（图 2-3d）在 3408 cm-1、1634.8 cm-1、1379.7 cm-1、112cm-1、682.7 cm-1处均出现与 NiAl-Y 相似的 LDHs 的特征吸收峰，说明导电布基体原位生长了层间离子为 CO32-的 LDHs 薄膜。

【参考文献】

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本文编号：2789318