新型光催化剂SnC2O4及复合材料的制备及其性能研究

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光催化氧化法是新兴的一种水的深度处理技术,该法设备简单、运行条件温和、氧化能力强、杀菌作用强、无二次污染,在水处理方面有着良好的应用前景。光催化氧化法的核心是半导体光催化剂。近年来,合成不同组成、结构、形貌的新型光催化剂,拓展其光谱响应范围,提高其光催化活性已成为光催化领域研究的热点。本文采用简单的沉淀法以及溶剂热法,制备了块状SnC2O4、棒状SnC2O4及Fe3O4/SnC2O4等新型的光催化材料,并通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外可见分光光度计、荧光分光光度计等手段对样品进行分析和表征。探究了不同沉淀剂、反应温度、时间等对样品结构、形貌、光吸收性能以及光催化性能的影响,并探究了光催化降解的机理。主要研究内容和结果如下:(1)分别以H2C2O4·H2O,Na2C2O4,(NH42C2O4·H2O为沉淀剂,采用直接沉淀法合成了新型光催化剂SnC2O4粉末。分析表明不同沉淀剂制备的样品均为单斜白钨矿型SnC2O4(C2/C(15)),晶胞参数a=1.0364 nm,b=0.5500 nm,c=0.8777 nm。样品均为不规则块状。以H2C2O4·H2O,Na2C2O4,(NH42C2O4·H2O为沉淀剂制备的样品的禁带宽度分别为3.34 eV、3.27 eV和3.44 eV。通过降解40 mg/L的甲基橙(MO)对样品的光催化性能进行了探究,以Na2C2O4、(NH42C2O4·H2O为沉淀剂制备的样品光催化性能优异。在可见光下照射90 min,SnC2O4光催化剂的投加量为40 mg/50 mL时,可使甲基橙溶液的降解率达到近100%,且光催化降解反应符合一级动力学方程。此外,通过IR,PL和XRD证明甲基橙脱色是由于SnC2O4的光催化降解所致。通过加入活性物种捕获剂对比表明·O2-在光催化反应中起重要作用。与活性炭对比,合成的SnC2O4样品具有良好的回收性能和稳定性。(2)采用溶剂热法以草酸作为沉淀剂制备了棒状SnC2O4。探究了不同加热温度和加热时间对样品的物相结构、结晶度、微观形貌和光催化性能的影响。此外,还优化了光催化反应条件。结果表明:100140℃不同加热温度所制备的样品均为单斜结构SnC2O4,其形貌均为棒状,直径约为1μm左右。当加热温度为120℃时,制备的样品光催化活性最好。在可见光照射下,样品的加入量为40 mg/50 mL,反应时间为80 min,对40 mg/L的MO降解率可达99.1%。此外,制备过程中加热时间对样品的结晶性和光催化性能也有较大的影响。随着加热时间从1 h延长至24 h,样品的结晶度增大,光催化性能增强,而微观形貌没有明显变化。此外,通过引入活性物种捕获剂确定·O2-为光催化降解反应中主要的活性物质。(3)利用两步沉淀法制备了Fe3O4/SnC2O4复合可见光光催化材料,通过XRD,SEM,EDS,UV-vis,PL对样品进行了表征。以甲基橙为模拟染料废水,考察其光催化性能。结果表明,与纯SnC2O4相比,Fe3O4/SnC2O4样品的禁带宽度变小,对可见光的吸收明显变强。在Fe3O4/SnC2O4系列样品中,20%Fe3O4/SnC2O4样品表现出优异的光催化性能。当样品用量为40 mg/50 mL时,40 mg/L甲基橙溶液在可见光下照射60 min,其降解率可以达到97.7%,降解反应符合一级动力学方程,且降解反应的速率常数为纯SnC2O4的1.68倍。通过引入活性物种捕获剂表明·O2-在光催化反应中起主要作用。5次回收实验表明样品具有良好的稳定性和回收性能。
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