Fe3O4/g-C3N4复合催化剂增强芬顿/光-芬顿和类过氧化酶反应的活性及稳定性

• Published in: 催化学报 2017, Vol.38 (12), p.2110-2119
• Main Authors: Shafaq Sahar, Akif Zeb, 刘亚男, Naseeb Ullah, 徐安武
• Format: Article
• Language: Chinese
• Subjects: Fe3O4/g-C3N4纳米复合材料; 染料降解; 类辣根过氧化物酶活性; 芬顿反应; 辣根过氧化酶模拟反应
• ISSN: 0253-9837; 1872-2067
• DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62957-7

石墨相的氮化碳(g-C3N4)已被广泛用于光催化、水分解、光子检测器、电池、以及光电阴极.与其他光催化材料相比,g-C3N4具有价格低廉,易制备,无毒无污染等优点.此外,C3N4具有适宜的带隙(2.7eV),能有效地吸收可见光.有关C3N4的光催化研究很多,但是其降解效率受限于电子空穴对的快速复合.因此,为了提高C3N4光催化反应效率,需要对其进行改性.磁铁矿(Fe3O4)广泛用于光催化和芬顿/光-芬顿反应.Fe3O4晶体具有反式尖晶石结构,其中Fe2+和Fe3+同时存在.研究表明,磁铁矿在酸性条件下催化效果显著,然而,它的比表面积小,随着反应时间的推移,铁离子会溶出,不利于有机物降解反应.因此,近来许多研究着重于磁铁矿复合物的制备,以提高磁铁矿的稳定性及催化性能.本文通过惰性氛围高温焙烧三聚氰胺制备了g-C3N4,再通过氯化铁和乙酸钠在乙醇中于180°C溶剂热反应,制备Fe3O4纳米粒子,最后通过静电自组装过程制备出Fe3O4/g-C3N4纳米复合材料.利用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)及X射线光电子光谱(XPS)等手段验证其组成和结构.XRD结果表明,Fe3O4/g-C3N4复合材料中可以清晰看到Fe3O4和g-C3N4的衍射峰,说明这两种材料的晶相得以保持.SEM和TEM结果表明,Fe3O4纳米颗粒很好地附着在g-C3N4薄片上.XPS结果表明,氮化碳中存在典型的三种N峰;此外还存在铁的两种价态.光-芬顿活性测试中,相同条件下,Fe3O4/g-C3N4在60min内将罗丹明B(RhB)几乎降解完全,而单组份的Fe3O4或g-C3N4对RhB的降解小于50%.可见,复合后的Fe3O4/g-C3N4光催化性能得到很大提升.单g-C3N4本身由于快速的电子空穴复合以及对双氧水的弱亲和力,因而对RhB降解效果差.单独的Fe3O4由于在中性或者碱性条件下反而会抑制光催化芬顿活性.对于制备的Fe3O4/g-C3N4复合材料,具有以下优点:(1)电子在Fe3+和g-C3N4的LUMO轨道上的转移降低了电子-空穴对的复合;(2)Fe3O4均匀分布在g-C3N4上,对于H2O2的吸附提供了有利的高比表面积;(3)Fe3O4和g-C3N4之间的界面相互作用使得Fe3O4的稳定性提高.通过降解RhB的动力学研究,得到反应速率为0.02min–1,属准一级反应.分析检测结果表明,光-芬顿反应后,RhB分子被彻底矿化