α-Fe2O3@Fe-MOFs芬顿催化剂的构建及光电协同增效降解抗生素研究

作     者：刘金鹏 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王惠;王敬

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：光催化 电化学 光电芬顿 铁基金属有机框架 铁基氧化物 

摘      要：为了避免传统芬顿法的问题,一些研究人员尝试将它与光催化、电化学反应相结合,形成光电芬顿协同体系。可见光的引入能大大提高双氧水(HO)生成羟基自由基(?OH)的效率,同时加快Fe与Fe的转化效率;而电化学的引入,可以为芬顿氧化反应提供源源不断的Fe与HO,能够避免HO进行长距离输送的问题,并且利用阳极氧化、电吸附等因素能加快有机物的降解,具有反应速度更快、毒性更低、环境相容性更好等优点。同时由于铁基催化剂的存量丰富、环境友好,并且具有优良的磁选择性和成本效益,大大增加了它们在芬顿过程中的应用。在铁基催化剂当中,六方晶系的α-FeO纳米材料与铁基MOFs又显示出极大的应用前景。MOFs与半导体光催化剂复合后形成的异质结能促进载流子的迁移,加之芬顿反应的协同作用降低了光生电子-空穴对的导电势垒,大大提高了催化降解的活性。这也得益于铁基MOFs的骨架结构可以使催化剂分散更加均匀,从而丰富活性位点,增强催化剂与反应物的相互作用。本课题通过构建光电芬顿催化的复合体系,以α-FeO纳米棒为“核,以NH-MIL-101和MIL-141“壳进行复合,通过复合材料的微观组成结构来对其光电芬顿催化降解效果进行讨论,并进一步研究其催化协同机理,主要内容如下:(1)研究设计了一种α-FeO@NH-MIL-101的核-壳纳米棒复合阵列。首先通过水热法在FTO导电玻璃导电面生长棒状α-FeO纳米阵列,将其作为内核;之后通过乙酸刻蚀α-FeO让铁离子在溶液与有机配体二氨基-对苯二甲酸(NH-BDC)结合得到α-FeO@NH-MIL-101的核-壳纳米棒复合阵列。通过调控乙酸的加入量控制溶液中铁离子的浓度,从而控制壳层厚度。之后通过XRD、SEM、TEM等测试对复合材料进行物相与微观形貌分析,通过XPS、UV-vis、电化学等测试来对其光电芬顿性能与降解性能进行分析,进而尝试提出其反应机理。(2)研究设计了一种α-FeO@MIL-141的核-壳纳米棒复合阵列。先通过水热法制备原料四羧基苯基卟啉(TCPP)。TCPP由于具有卟啉环结构能提升可见光的吸收。之后通过水热法在FTO导电玻璃导电面生长棒状α-FeO纳米阵列,将其作为内核;通过乙酸刻蚀α-FeO让铁离子在溶液与有机配体TCPP结合得到α-FeO@MIL-141的核-壳纳米棒复合阵列。随后通过XRD、SEM、TEM等测试对复合材料进行物相与微观形貌分析,通过XPS、UV-vis、电化学等测试来对其光电芬顿性能与降解性能进行分析,同时得出其反应机理。