铜铁矿型CuFeO2晶型对其催化PMS性能影响的研究

作     者：张慧玉 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任月明

授予年度：2018年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：铜铁矿 CuFeO2 单过硫酸盐 酸性橙 硫酸根自由基 

摘      要：本文采用水热法合成了不同晶型的铜铁矿结构CuFeO催化剂,采用SEM,XRD,EDS,XPS,FT-IR,UV-vis等对其性能进行了表征,考察了合成的水热温度、时间、pH值以及不同改性剂对其晶型结构、形貌等特性的影响,探讨了不同晶型催化剂的合成机理。并用于催化单过硫酸盐(PMS)降解水中酸性橙(AC)。考察了溶液pH值、光照等因素对AC降解效果的影响,结合自由基淬灭实验、表面羟基实验,XPS分析等,探讨了PMS活化机理。以CuSO和FeSO为原料,不添加任何还原剂,在100℃、12 h、pH为13.0的条件下制备的CuFeO催化剂为菱方(3R)和六方(2H)共存的晶体形态,计算得知3R晶型含量为89.6%,混合晶型催化剂为六角盘状结构、粒径直径约为0.5μm,厚度为0.2μm,催化剂中的元素组成与CuFeO分子式元素相同,禁带宽度为1.44 eV。将其用于催化PMS降解AC效果良好,当催化剂投加量为0.1 g·L,PMS用量为20μmol·L时,可见光条件下30 min内对10μmol·L的AC降解率达到了94.7%,完全避光时AC降解率只有78.1%,且循环使用4次后,依然保持较高的催化活性。以Cu(NO)和Fe(NO)为原料,葡萄糖为还原剂,在180℃、12 h、pH为13.0的条件下合成了纯相3R型CuFeO催化剂,分别采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)以及氟化钠(NaF)对3R型CuFeO进行了改性。未改性的3R型催化剂为不规则的六角盘状结构,晶体粒径在5-8μm之间,(101)/(012)晶面强度比值为0.089,禁带宽度为1.62 eV,在可见光下AC的降解率仅为8.9%,完全避光条件下降解率为4.5%;改性后的CuFeO催化剂晶型不发生改变,仍为3R型,粒径均在8μm左右。PVP和SDS改性后的催化剂的依然为六角盘状结构,禁带宽度分别降至1.34 eV、1.21 eV,(101)/(012)晶面强度比值分别为0.278、0.159,光照与避光条件下降解差异分别为29.6%、14.4%;CTAB和NaF改性后的催化剂晶体形貌变为八面体结构,晶型中(101)/(012)晶面强度比值为0.161、0.088,催化剂的禁带宽度为1.33 eV、1.42 eV,可见光对其催化PMS降解AC的效果影响不大。结果证明,该催化反应体系中的活性自由基以SO、?OH为主,CuFeO催化剂中的Cu和Fe元素均参与了PMS的活化反应。