稀土铁基氧化物纳米颗粒的制备及其可见光降解罗丹明B的研究

论文摘要

利用半导体光催化技术来净化废气和污水,特别是低浓度的有机污染物,是当前处理环境问题的重要手段之一。到目前为止,TiO2因具有廉价、化学性质稳定、对生物无毒性,不产生二次污染等优点,成为目前研究最为广泛的光催化剂。然而,在实际应用中TiO2也存在自身的缺点:（1）由于TiO2的禁带宽度为3.2 eV（锐钛矿相）,只有紫外光才可激发TiO2形成电子-空穴对;（2）在很多情况下,TiO2光催化剂需要在水溶液中使用,由于光催化剂颗粒尺寸较小,因此很难将其从水溶液中分离出来,不利于光催化剂的回收使用。因此制备具有可见光响应且易回收的光催化剂是目前光催化技术领域的研究热点。近年来,一类以ABO3型钙钛矿结构为原型的稀土正铁氧体ReFeO3（Re为稀土元素）材料由于其在固体氧化物燃料电池、传感器、磁光材料和电极材料等方面的应用受到了广泛的关注。除了上述应用外,ReFeO3因其具有较小的能带间隙（Eg < 3.0eV）而被视为具有潜在应用价值的可见光催化剂。本文中,我们以硝酸铕和硝酸铁为原料,在不同烧结温度下,采用溶胶凝胶法制备稀土正铁氧体EuFeO3纳米颗粒。利用热重/差热分析、X射线衍射、傅立叶变换红外光谱、拉曼光谱、透射电子显微镜、氮气吸附/解吸附、紫外-可见光漫反射谱等测试方法,对样品的晶相、形貌、比表面积、光吸收性能等方面进行了表征。选取罗丹明B有机染料水溶液作为降解反应研究对象,在可见光下测试了EuFeO3纳米颗粒的光催化性能。我们的研究表明当烧结温度为750 oC,样品的可见光催化性能是最高的,而当反应体系中加入少量的H2O2后,样品对有机物的降解能力得到进一步的提高,这可能是由于EuFeO3纳米颗粒与H2O2之间产生了类光芬顿效应。我们还对EuFeO3纳米颗粒进行循环降解测试,测试结果显示在多次使用后,催化剂仍然保持较好的有机物降解能力,且多次使用后的样品结构未发生改变,具有良好的结构稳定性。这部分工作已发表在Journal of the American Ceramic Society。为了能够探讨水溶液中的光催化剂是否能被外加磁场进行分离回收,我们研究了EuFeO3纳米颗粒的磁性质,结果表明虽然EuFeO3纳米颗粒具有一定的室温弱铁磁性,但由于其数值过小,无法在实际应用中真正实现磁力回收。为了增强光催化剂的磁性,我们通过控制溶胶-凝胶法中的蒸胶温度,制备出具有EuFeO3/Eu3Fe5O12混合相的样品。我们发现在同样的烧结温度下,随着蒸胶温度的升高,样品从单纯相的EuFeO3纳米颗粒逐渐转化为具有EuFeO3/Eu3Fe5O12混合相的样品。同时越高的蒸胶温度将会导致样品具有越强的室温铁磁性。与之相反的是,样品降解有机物的能力在减弱,这可能是因为具有较强磁性的样品在水溶液中容易团聚,不利于颗粒在染料溶液中分散开来,这样催化剂与染料的接触机会大大减小,同时对可见光的利用率也在下降。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 概述
• 1.2 半导体光催化机理
• 1.3 半导体光催化剂
• 1.4 钙钛矿结构的稀土铁基氧化物
• 1.5 芬顿反应（Fenton）与光芬顿反应（photo-Fenton）
• 1.5.1 芬顿反应（Fenton）
• 1.5.2 光芬顿反应（photo-Fenton）
• 1.6 本论文的研究意义和研究内容
• 参考文献
• 第二章 样品的制备、结构及性能表征方法
• 2.1. 稀土铁基氧化物材料的制备方法
• 2.2 样品的结构表征方法
• 2.2.1 热重/差热分析（Thermogravimetric and Differential Thermal Analysis, TG/DTA）测试
• 2.2.2 X 射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）测试
• 2.2.3 傅立叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared, FTIR）测试
• 2.2.4 拉曼光谱（Raman）测试
• 2.2.5 比表面积（Brunauer–Emmett–Teller, BET）测试
• 2.2.6 透射电镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）测试
• 2.3 样品的性能表征方法
• 2.3.1 紫外-可见吸收/漫反射光谱（UV–vis Absorption/diffuse Reflection Spectra, UV-vis DRS）测试
• 2.3.2 光催化性能的测试
• 2.3.3 铁离子浓度的测试
• 2.3.4 ·OH 自由基浓度测试
• 2.3.5 样品的磁性测试
• 参考文献
• 3纳米颗粒及其对有机物RhB 降解能力的研究'>第三章 溶胶-凝胶法制备EuFeO₃纳米颗粒及其对有机物RhB 降解能力的研究
• 3.1 引言
• 3.2 样品的制备
• 3 纳米颗粒的制备'>3.2.1 EuFeO₃纳米颗粒的制备
• 3O₄ 的制备'>3.2.2 Fe₃O₄的制备
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 3/Eu3Fe₅O₁₂ 纳米颗粒的制备、磁性能以及对有机物 RhB 降解能力的研究'>第四章 EuFeO₃/Eu3Fe₅O₁₂ 纳米颗粒的制备、磁性能以及对有机物 RhB 降解能力的研究
• 3 纳米颗粒的室温磁性质'>4.1 EuFeO₃纳米颗粒的室温磁性质
• 4.2 石榴石结构的稀土铁基氧化物
• 4.3 样品的制备
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结
• 攻读学位期间公开发表的论文
• 致谢