负载型铁基非均相芬顿催化剂的构建及其性能研究

发布时间：2020-10-10 06:26

　　 有机污染物的高效去除是当前水污染控制领域的重要课题。非均相芬顿催化技术为水体中有机污染物的降解提供了良好的途径。本文针对铁基非均相芬顿催化体系在中性条件下面临的Fe~(3+)/Fe~(2+)转化慢,界面电子迁移速率及传质受限,催化效率低等技术难题,以构建具有高活性和良好稳定性能的铁基非均相芬顿催化剂为目标,围绕着催化剂的金属组成调控及催化剂载体的选择两个方面,开展以偶氮染料金橙Ⅱ为代表的目标污染物的增效去除机理研究。论文首先采用氨熏后浸渍法和碳热还原法制备了负载于有序介孔碳(OMC)的Fe~0-Fe_2O_3纳米复合非均相芬顿催化剂。Fe~0-Fe_2O_3/OMC具有较高的比表面积和孔容、均一的孔径、分散良好且粒径超小的活性组分。在接近室温及中性的条件下,Fe~0-Fe_2O_3/OMC展现出比Fe~0/OMC和Fe_2O_3/OMC明显优越的催化降解性能。Fe~0-Fe_2O_3/OMC中Fe~0及Fe_2O_3的协同优化及有序介孔碳载体的富集作用,使得Fe~(3+)/Fe~(2+)循环加速并且催化位点增多,在反应的起始阶段及催化阶段均大幅度提升反应效率。为进一步提升铁基催化剂的效率及对反应环境的pH适应能力,论文通过在铁基催化剂体系内引入了异相的金属铜,制备了铁铜双金属(FeCu)负载于中空介孔硅球(HMS)的非均相芬顿复合催化剂。FeCu/HMS具有典型的中空介孔结构及高度分散的金属纳米粒子。在接近室温及中性的条件下,FeCu/HMS展现出优越的非均相芬顿催化活性,均优于FeCu/MS,Fe/HMS及Cu/HMS。FeCu/HMS内铁和铜的协同作用可以有效地促进Fe~(3+)/Fe~(2+)和Cu~（2+）/Cu~+氧化还原电对的循环,催化剂的中空结构可以为催化剂提供更多可利用的活性位点及促进催化反应的传质,从而有效地提高反应效率。在以上研究的基础上,通过调控不同铁盐和铜盐的量,制备了一系列具有不同铁铜比的铁铜双金属中空介孔硅球复合芬顿催化剂。结果表面:当铁铜质量比为2:6时,复合催化剂的催化活性最大。此外,复合催化剂还对高浓度染料污染物的降解表现出优异的性能。催化剂内铁和铜的协同增效作用主要来源于Fe~(3+)/Fe~(2+)和Cu~（2+）/Cu~+电对在氧化还原循环中的界面电子转移的加速。为进一步加速催化反应中电子转移的速率,论文采用静电纺丝技术制备了铁铜双金属碳纳米纤维复合催化剂(FeCu/CNF),铁铜双金属纳米颗粒在碳化过程中通过碳热还原原位形成。FeCu/CNF具有典型的线性多孔碳纳米纤维结构并且金属纳米粒子高度分散在CNF基体中。在接近室温及中性的条件下,FeCu/CNF展现出优异的非均相芬顿催化活性,均优于FeCu/C,Fe/CNF及Cu/CNF。FeCu/CNF内铁和铜的协同作用可以有效地促进Fe~(3+)/Fe~(2+)和Cu~（2+）/Cu~+氧化还原电对的循环。此外,纳米纤维结构利于催化反应中电子的快速长距离传输,促进电子转移的速率,最终提高催化剂的催化活性。本论文研究为有机污染物的高效去除提供了新材料、新技术,并为同类铁基非均相芬顿催化剂的研制与应用提供了方法和理论依据,具有较好的科学意义和应用前景。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O643.36;X52
【部分图文】：

？＇Ｊ逦ｉ＂｛逡逑图１．２邋２０１６年七大流域和浙闽片河流、西北诸河、西南诸河水质状况ｄ逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｗａｔｅｒ邋ｑｕａｌｉｔｙ邋ｏｆ邋ｓｅｖｅｎ邋ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ，邋Ｚｈｅｊｉａｎｇ邋ａｎｄ邋Ｆｕｊｉａｎ邋ｐｉｅｃｅｓ邋ｏｆ邋ｒｉｖｅｒｓ，邋ｒｉｖｅｒｓ邋ｉｎ逡逑ｔｈｅ邋ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ，邋ｒｉｖｅｒｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ邋ａｔ邋２０１６［２］逡逑３逡逑

博士学位论文逡逑１．４．３技术路线逡逑本论文的技术路线如图１．３所示。逡逑负载型铁基非均相芬顿复合催化剂的设计逡逑Ｉ逡逑组成控制逡逑＾￣￣－－－逦‘逦＆逦组成分析逡逑Ｉ物种类别丨逦丨物种类别丨丨逦Ｉ逡逑Ｉ邋Ｆｅ°邋ｊ逦比例优化｜邋Ｆｅ°邋丨ｊ形貌结构逦金属组分｜逡

ｉｍａｇｅｓ．逡逑２．２．１．３催化剂的孔结构表征逡逑为了进一步分析样品的结构特性，对样品进行了氮气吸附－脱附测试。如图２．３Ａ所逡逑示，所有样品均显示典型的ＩＶ型等温线并具有Ｈ１回滞环，表明所制备材料的介孔结构逡逑［２５］。在ＯＭＣ中，于相对压力为Ｐ／Ｐｆ；邋＝邋０．４－０．７处出现明显的毛细冷凝，表明其具有均一逡逑的介孔［２３］。在引入铁物种后，Ｆｅ２０３／０ＭＣ，Ｆｅ（ｌ－Ｆｅ２０３／０ＭＣ和Ｆｅ（）／ＯＭＣ保持了类似的等逡逑温线形状，表明均一介孔的保持。为了进一步考察样品的比表面积和孔容，对样品的逡逑ＢＥＴ比表面积和孔容进行了计算。如表２．１所示，ＯＭＣ具有最高的比表面积（６２８邋ｍ２／ｇ）逡逑和孔容０．４３邋ｃｍ３／ｇ。Ｆｅ２ＣＶ0ＭＣ，ＦｅＱ－Ｆｅ２０３／０ＭＣ和ＦｅＧ／ＯＭＣ的比表面积和孔容分别为逡逑５３４，邋５５６和５２６邋ｍ２／ｇ以及０．３３，邋０．３７和０．４１邋ｃｍ３／ｇ。和ＯＭＣ相比，含铁样品的比表面积逡逑和孔容有所降低

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本文编号：2834850