碳纳米管βfeooh复合材料制备及其光催化降解甲基橙
不同含量的碳纳米管/针铁矿复合光催化剂（碳纳米管/β-FeOOH）已经可以通过一个非常简单的水热法合成了，并且通过X射线衍射，傅里叶变换红外光谱，紫外可见漫反射光谱，扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征了这种复合光催化剂。本文重点研究已合成的复合物在多相光类芬顿条件下对甲基橙的氧化降解。与纯相β-FeOOH相比，CNTs/β-FeOOH复合物在可见光照射下对甲基橙的降解显著增强。碳纳米管的加入在三个方面促进了β-FeOOH的光催化活性。一是分离电子并有效抑制光生电子的重组；二是作为一个分散的载体来控制复合物中β-FeOOH的颗粒大小；三是增强对可见光的吸收强度。最后本文列出了CNTs/β-FeOOH复合物的催化机理。
目录
摘要1
关键词1
Abstract 1
Key words 1
引言2
1 材料与方法2
1.1 催化剂制备3
1.2 光降解过程3
1.3 催化剂表征3
2 结果与讨论3
2.1 结构与形态特征3
2.2 碳纳米管/βFeOOH的纳米复合材料的光催化活性 8
2.3 参与氧化甲基橙的可能的作用机制8
2.4 βFeOOH的催化性能的改进讨论 9
3结论10
4致谢10
文献参考10
碳纳米管/βFeOOH复合材料制备及其光催化降解甲基橙
应用化学：史维聪
引言
引言：随着染料和印染工业的迅速发展，其产生的染料废水量也越来越多，给环境带来了严重的污染，已成为全球主要环境污染源之一。 染料废水具有水量大、色度高、化学成分复杂、难生化降解等特点，若不经过处理直接排放将给生态环境带来严重危害。偶氮染料是分子中含有偶氮基（ArN=NAr）的染料，是染料中数量和品种最多的一类，超过有机染料产品总量的50%，其化学性质较稳定，偶氮染料废水是公认的难处理的高浓度有机废水。因此，研究经济有效的偶氮染料废水的处理方法对于解决染料废水的处理具有极为重要的意义。染料废水常用的处理方法包括生物氧化法、化学氧化法、混 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
凝脱色法、吸附法以及膜分离技术等，这些方法对染料污染物的矿化能力差，而且容易引起二次污染，往往达不到满意的处理效果。
高级氧化过程是基于一种最初形成的羟基自由基进而破坏有机化合物结构[1]的技术，因其高效低耗引起了很大的关注。但是pH范围窄并且有含铁污泥产生限制了均相Fenton反应的进行[2]，为了克服这种缺点，学者们提出非均相Fenton体系[3]。
类Fenton反应是除Fe(Ⅱ)以外,Fe(Ⅲ)含铁矿物以及其他一些过渡金属如Co、Cd、Cu、Ag、Mn、Ni等可以加速或者替代Fe(Ⅱ)而对H2O2起催化作用的一类反应的总称。把固相载体负载Fe2+/Fe3+离子,以及使用磁铁矿、赤铁矿、针铁矿等单一含铁矿物为催化剂的异相类Fenton反应又称作非均相类Fenton反应。由于其适用pH范围广和催化剂易于回收利用等特点而广受国内外关注。
目前类Fenton反应催化剂主要有两种类型:
(1)含铁矿物，如磁铁矿、赤铁矿、针铁矿、黄铁矿等;
(2)负载型催化剂，如以活性炭、沸石或柱撑粘土为载体负载Fe、Cu等过渡金属的人工合成材料。其中，含铁矿物因来源广泛、性能稳定而备受青睐。
铁氧化物是土壤和自然环境中常见的成分，具有表面面积大和化学性质稳定的特点。在水处理中铁氧化物作为吸附剂和离子交换剂被广泛应用[4,5])。最近学者们发现αFeOOH和过氧化氢反应可以使针铁矿表面发生催化反应产生亚铁离子，从而有效的氧化有机化合物[68]。此外在紫外线的照射下，针铁矿/ H2O2降解能力得到了大大的提高[9]。许多学者也在研究通过掺杂阳离子的结构修饰来提高αFeOOH的光催化活性。到目前为止，βFeOOH作为光芬顿催化剂用于水处理的研究非常的有限。学者赵等人合成了一种新型的βFeOOH包覆树脂的多相光芬顿催化剂并且探索在较弱紫外照射下催化17β雌二醇的降解活性[10]。学者杨等人研究βFeOOH/Al2O3的表面酸性和用于医药降解臭氧的反应[11]。学者聂等人探索在βFeOOH/Al2O3的表面还原来抑制溴酸盐的形成[12]。我们以前都是在紫外可见条件下做βFeOOH/TiO2催化降解甲基橙[13]。
近年来，碳纳米管半导体复合材料的设计备受关注，其目的是增强在非均相光条件下催化剂的催化性能[14]。在本文中，我们把纳米结构的βFeOOH负载到单壁碳纳米管上并对这种混合纳米材料的形成进行了介绍。我们通过甲基橙在紫外可见光和H2O2存在的条件下的降解程度测定了这种混合纳米材料的光催化活性。结果发现CNTs/βFeOOH这种复合材料可以增强甲基橙的光催化降解。我们还讨论了类Fenton系统的光催化氧化机理。
材料与方法
1.1催化剂制备
在这项实验中所用的试剂都是分析纯的，由上海化学试剂有限公司采购，且使用时无任何进一步的纯化。
四种含有不同含量单壁碳纳米管的CNTs/βFeOOH复合材料是通过浸渍沉淀法得到的。首先，在100mL去离子水中加入3.2435g FeCl36H2O和2.8800g尿素并磁力搅拌30分钟，在不调节pH值的情况下，将所需单壁碳纳米管的量加入至混合溶液中，然后再搅拌24小时，将得到的悬浮液转移至不锈钢高压釜中（200mL）。然后在密封的高压釜中保持90℃的温度反应8小时，随后冷却至室温。所得样品通过离心收集，我们制备了四种初始悬浮液，其中单壁碳纳米管的含量分别是0.001,0.005,0.1,0.2g。(0.94%CNTs/βFeOOH, 4.7%CNTs/βFeOOH, 9.4%CNTs/βFeOOH 和18.8%CNTs/βFeOOH）。用同样的方法但不加入单壁碳纳米管所得的样品记为βFeOOH。为了比较，我们通过简单机械混合的方法制备了18.8%CNTs/βFeOOH混合物，即βFeOOH和碳纳米管分散到20mL无水乙醇溶液中并超声振荡以使它们混合好，在此之后，将该混合物在60℃的烘箱中干燥24小时。
1.2光降解过程
甲基橙的降解是在XPA7光化学反应器（胥江机电总厂，南京，江苏）中进行的。反应溶液的温度通过冷却水循环保持在25±2℃。500W氙灯作为可见光的照射源。悬浮液的初始pH值用稀硫酸和氢氧化钠调节至4.5。甲基橙和H2O2的初始浓度分别为80 mg /L 和 0.3 g /L，催化剂的负载量为0.4 g/ L。所有的催化剂浸渍在甲基橙溶液中，并在黑暗中搅拌60分钟，确保在光反应前，溶液和催化剂之间建立吸附/脱附平衡。在给定的辐照的时间间隔，取出少量悬浮液离心使催化剂颗粒从溶液中分离出来，甲基橙的浓度通过使用紫外可见分光光度计在464nm测定。
1.3催化剂表征
目录
摘要1
关键词1
Abstract 1
Key words 1
引言2
1 材料与方法2
1.1 催化剂制备3
1.2 光降解过程3
1.3 催化剂表征3
2 结果与讨论3
2.1 结构与形态特征3
2.2 碳纳米管/βFeOOH的纳米复合材料的光催化活性 8
2.3 参与氧化甲基橙的可能的作用机制8
2.4 βFeOOH的催化性能的改进讨论 9
3结论10
4致谢10
文献参考10
碳纳米管/βFeOOH复合材料制备及其光催化降解甲基橙
应用化学：史维聪
引言
引言：随着染料和印染工业的迅速发展，其产生的染料废水量也越来越多，给环境带来了严重的污染，已成为全球主要环境污染源之一。 染料废水具有水量大、色度高、化学成分复杂、难生化降解等特点，若不经过处理直接排放将给生态环境带来严重危害。偶氮染料是分子中含有偶氮基（ArN=NAr）的染料，是染料中数量和品种最多的一类，超过有机染料产品总量的50%，其化学性质较稳定，偶氮染料废水是公认的难处理的高浓度有机废水。因此，研究经济有效的偶氮染料废水的处理方法对于解决染料废水的处理具有极为重要的意义。染料废水常用的处理方法包括生物氧化法、化学氧化法、混 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
凝脱色法、吸附法以及膜分离技术等，这些方法对染料污染物的矿化能力差，而且容易引起二次污染，往往达不到满意的处理效果。
高级氧化过程是基于一种最初形成的羟基自由基进而破坏有机化合物结构[1]的技术，因其高效低耗引起了很大的关注。但是pH范围窄并且有含铁污泥产生限制了均相Fenton反应的进行[2]，为了克服这种缺点，学者们提出非均相Fenton体系[3]。
类Fenton反应是除Fe(Ⅱ)以外,Fe(Ⅲ)含铁矿物以及其他一些过渡金属如Co、Cd、Cu、Ag、Mn、Ni等可以加速或者替代Fe(Ⅱ)而对H2O2起催化作用的一类反应的总称。把固相载体负载Fe2+/Fe3+离子,以及使用磁铁矿、赤铁矿、针铁矿等单一含铁矿物为催化剂的异相类Fenton反应又称作非均相类Fenton反应。由于其适用pH范围广和催化剂易于回收利用等特点而广受国内外关注。
目前类Fenton反应催化剂主要有两种类型:
(1)含铁矿物，如磁铁矿、赤铁矿、针铁矿、黄铁矿等;
(2)负载型催化剂，如以活性炭、沸石或柱撑粘土为载体负载Fe、Cu等过渡金属的人工合成材料。其中，含铁矿物因来源广泛、性能稳定而备受青睐。
铁氧化物是土壤和自然环境中常见的成分，具有表面面积大和化学性质稳定的特点。在水处理中铁氧化物作为吸附剂和离子交换剂被广泛应用[4,5])。最近学者们发现αFeOOH和过氧化氢反应可以使针铁矿表面发生催化反应产生亚铁离子，从而有效的氧化有机化合物[68]。此外在紫外线的照射下，针铁矿/ H2O2降解能力得到了大大的提高[9]。许多学者也在研究通过掺杂阳离子的结构修饰来提高αFeOOH的光催化活性。到目前为止，βFeOOH作为光芬顿催化剂用于水处理的研究非常的有限。学者赵等人合成了一种新型的βFeOOH包覆树脂的多相光芬顿催化剂并且探索在较弱紫外照射下催化17β雌二醇的降解活性[10]。学者杨等人研究βFeOOH/Al2O3的表面酸性和用于医药降解臭氧的反应[11]。学者聂等人探索在βFeOOH/Al2O3的表面还原来抑制溴酸盐的形成[12]。我们以前都是在紫外可见条件下做βFeOOH/TiO2催化降解甲基橙[13]。
近年来，碳纳米管半导体复合材料的设计备受关注，其目的是增强在非均相光条件下催化剂的催化性能[14]。在本文中，我们把纳米结构的βFeOOH负载到单壁碳纳米管上并对这种混合纳米材料的形成进行了介绍。我们通过甲基橙在紫外可见光和H2O2存在的条件下的降解程度测定了这种混合纳米材料的光催化活性。结果发现CNTs/βFeOOH这种复合材料可以增强甲基橙的光催化降解。我们还讨论了类Fenton系统的光催化氧化机理。
材料与方法
1.1催化剂制备
在这项实验中所用的试剂都是分析纯的，由上海化学试剂有限公司采购，且使用时无任何进一步的纯化。
四种含有不同含量单壁碳纳米管的CNTs/βFeOOH复合材料是通过浸渍沉淀法得到的。首先，在100mL去离子水中加入3.2435g FeCl36H2O和2.8800g尿素并磁力搅拌30分钟，在不调节pH值的情况下，将所需单壁碳纳米管的量加入至混合溶液中，然后再搅拌24小时，将得到的悬浮液转移至不锈钢高压釜中（200mL）。然后在密封的高压釜中保持90℃的温度反应8小时，随后冷却至室温。所得样品通过离心收集，我们制备了四种初始悬浮液，其中单壁碳纳米管的含量分别是0.001,0.005,0.1,0.2g。(0.94%CNTs/βFeOOH, 4.7%CNTs/βFeOOH, 9.4%CNTs/βFeOOH 和18.8%CNTs/βFeOOH）。用同样的方法但不加入单壁碳纳米管所得的样品记为βFeOOH。为了比较，我们通过简单机械混合的方法制备了18.8%CNTs/βFeOOH混合物，即βFeOOH和碳纳米管分散到20mL无水乙醇溶液中并超声振荡以使它们混合好，在此之后，将该混合物在60℃的烘箱中干燥24小时。
1.2光降解过程
甲基橙的降解是在XPA7光化学反应器（胥江机电总厂，南京，江苏）中进行的。反应溶液的温度通过冷却水循环保持在25±2℃。500W氙灯作为可见光的照射源。悬浮液的初始pH值用稀硫酸和氢氧化钠调节至4.5。甲基橙和H2O2的初始浓度分别为80 mg /L 和 0.3 g /L，催化剂的负载量为0.4 g/ L。所有的催化剂浸渍在甲基橙溶液中，并在黑暗中搅拌60分钟，确保在光反应前，溶液和催化剂之间建立吸附/脱附平衡。在给定的辐照的时间间隔，取出少量悬浮液离心使催化剂颗粒从溶液中分离出来，甲基橙的浓度通过使用紫外可见分光光度计在464nm测定。
1.3催化剂表征
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