ZnFe2O4和rGO-ZnFe2O4复合物的制备及其光芬顿降解污染物性能研究

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近年来,随着工业化水平的不断提高,出现了越来越多的环境污染问题。Photo-Fenton作为一种绿色、高效的高级氧化技术,可用于难降解污染物的处理,对高效光芬顿催化剂的研究也成为了热点。众所周知,光芬顿催化降解性能与催化剂的光吸收能力、活性位点数量以及反应体系的温度息息相关。因此,针对以上影响因素,本研究围绕ZnFe2O4催化材料,采用形貌调控、与还原氧化石墨烯(rGO)复合等方法对催化剂进行改性,以期进一步提高催化剂的光芬顿降解性能。主要研究内容和结论如下:(1)采用溶剂热与焙烧两步法,合成了具有磁性的yolk-shell结构ZnFe2O4催化剂,同时通过水热法制备了普通形貌的ZnFe2O4和α-Fe2O3催化剂。以四环素(TC)作为目标污染物,在催化剂/H2O2/可见光体系中,研究了不同形貌ZnFe2O4催化剂的光芬顿催化降解性能,实验结果表明yolk-shell结构ZnFe2O4催化剂与普通形貌ZnFe2O4和α-Fe2O3相比具有更佳的催化降解性能。利用多种表征手段对所制样品的物相组成、形貌结构、光学性质和表面物理性质进行分析,进而对不同形貌结构ZnFe2O4催化剂催化降解性能差异的原因展开了探究。结果表明yolk-shell结构ZnFe2O4催化剂因其具有特殊的形貌结构,更强的光吸收能力,更大的比表面积和更高的光生载流子分离效率而具有最佳的光芬顿反应活性。(2)yolk-shell结构ZnFe2O4催化剂不仅对众多常见有机污染物(四环素、环丙沙星、酸性红、甲基橙、罗丹明B等)具有良好的去除效果,而且能够有效降解TC和CIP的混合污染物。通过条件实验确定最佳H2O2浓度为20 mmol/L,最佳pH为2。还探究了不同因素(温度、污染物初始浓度和无机盐离子)对于光芬顿降解性能的影响。通过化学荧光分析法和自由基捕获实验确定?OH和空穴为光芬顿降解过程中的主要活性基团。通过对TC降解过程中的中间产物和ZnFe2O4能带结构的分析进一步解释了其光芬顿催化降解污染物的机理。(3)采用超声复合法,成功制备了rGO-ZnFe2O4复合催化剂,以环丙沙星(CIP)作为目标污染物,探究了不同复合比例rGO-ZnFe2O4催化剂在氙灯光源(200-2500 nm)照射下的光芬顿降解性能,结果表明rGO复合比例为7%的rGO-ZnFe2O4催化剂具有最好的降解性能。利用XRD、SEM、DRS和BET等多种表征手段对所制样品的物相组成、形貌结构、光学性质和表面物理性质进行分析,从而探究了不同复合比例催化剂性能差异的原因,分析发现适当复合比例的催化剂具有更强的光吸收性能,更大的比表面积,而且复合催化剂的光热转化性能明显增强了其光芬顿催化降解性能。(4)rGO-ZnFe2O4复合催化剂不仅对多种污染物(TC、CIP、ARG、MO、RhB等)具有良好的去除效果,还具有优良的稳定性,5次循环实验后,其污染物去除率仍可达到95%。通过化学荧光法和自由基捕获实验,确定?OH和空穴是光芬顿降解过程中的主要活性基团,进而探究了rGO-ZnFe2O4复合催化剂在光芬顿降解污染物过程中的机理。综上所述,本论文开展的研究工作为高效光芬顿催化剂的开发、改性及光芬顿降解机理研究提供了一定的理论和实际参考。
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