Fe2O3-AgBr纳米纤维光催化剂的设计、合成和光催化性能研究

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光催化技术是一种在环境领域有着重要应用前景的绿色技术,可以利用太阳能实现对环境的修复和治理。光催化技术的核心是研究开发优良的光催化剂。但是,目前光催化技术发展面临很多难题,一是目前研究最多、公认高效的TiO2光催化剂只能被紫外光所驱动(λ<400nm;太阳光中仅占4%),对太阳能的利用率较低;二是光致电子和光致空穴容易复合,抑制了半导体的光催化活性;三是半导体光催化剂不易回收再利用,造成了浪费和二次污染。因此,开发可见光驱动的、高效、稳定易回收的光催化剂是光催化技术走向实际应用的关键环节。基于此,本论文利用静电纺丝-焙烧技术制备了Fe2O3-AgBr纳米纤维光催化剂,并选取了典型的罗丹明B (RhB)和4-氯苯酚(4-CP)为目标污染物研究了该催化剂的光催化性能。得到以下研究成果:(1)采用静电纺丝-焙烧法,合成Fe2O3-AgBr无纺布纳米纤维光催化剂。调控静电纺丝条件,优化静电纺丝过程中的工艺参数和纺丝溶液的浓度和粘度,筛选光催化性能最优的Fe2O3-AgBr无纺布纳米纤维光催化剂。该催化剂是由大量的直径为150-350nm的纤维和孔洞状结构(直径:600-750nm)组成的,其中纤维是由尺寸~60nm的Fe2O3和AgBr纳米颗粒组成的。此外,该催化剂在紫外区到可见区内均表现出较强的光吸收特性,并且具有较强的顺磁性。(2)当有色染料罗丹明B (RhB)作为目标污染物时,Fe2O3-AgBr无纺布纳米纤维光催化剂在可见光照射60min后可以降解91.8%的RhB,且其光降解效率要比含量相同的纯Fe2O3纳米纤维和纯AgBr纳米纤维降解效率之和都要高,表现出了较高的光催化活性。此外,实验还表明,RhB初始溶液pH为中性时光催化效率最高,RhB初始溶液浓度越大光催化效率越低。通过对光催化机理的分析,表明该催化剂较高的光催化活性是因为催化剂光吸收范围变大以及Fe2O3能带和AgBr能带相匹配。循环实验表明经过4次循环降解后,该催化剂仍能保持相对较高的光催化活性,表明了其较高的稳定性;可以通过提拉法或者利用磁铁磁性特征对其进行回收,较为方便,具有较大的应用前景。(3)当无色污染物4-氯苯酚(4-CP)作为目标污染物时,Fe2O3-AgBr无纺布纳米纤维光催化剂在可见光照射120min后可以降解74.2%的4-CP,且其光降解效率要比含量相同的纯Fe2O3纳米纤维和纯AgBr纳米纤维降解效率之和都要高,进一步证明了该催化剂具有较高的光催化活性。此外,实验还表明,4-CP初始溶液pH为中性时光催化效率最高。该催化剂不仅可以快速的降解4-CP,还可以对其进行有效的矿化,经过4h可见光照射后,70.7%的4-CP被矿化。通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)检测手段,检测了降解4-CP过程中生成的中间产物,进一步验证了该催化剂可以高效的降解并且能有效地矿化4-CP,是一种优良的可见光驱动的光催化剂。
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