二氧化锰基磁性复合材料的制备及其光催化性能研究

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面对环境污染和能源短缺的问题,寻求低成本、高性能和可回收的光催化剂来进行新能源开发和污染物处理已经成为非均相光催化领域中的研究热点。二氧化锰(MnO2)半导体的光催化特性已经被许多研究证实,但仍存在以下主要弊端:一是光吸收波长范围狭窄,太阳光利用率低;二是光生载流子的复合率高,量子效率较低;三是纳米催化剂回收困难,损失量高,这些都制约了MnO2光催化剂技术的广泛应用。鉴于此,本文以提高MnO2材料的光催化活性和可回收性为目的,制备了三种MnO2基磁性复合材料,并以染料降解为模型反应考察了复合材料的光催化性能。具体研究内容如下:(1)将水热法和还原法相结合,制备了空心花状Fe3O4/MnO2/Mn3O4磁性复合催化剂。部分还原MnO2纳米花原位生长Mn3O4纳米粒子,在MnO2与Mn3O4之间构建价态异质结来提高催化性能,Fe3O4微球作为内核赋予复合材料磁性以便于磁分离回收。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、比表面积和孔径分析仪(BET)和振动样品磁强计(VSM)来对复合材料进行形貌和成分表征分析。在模拟光照下,用降解罗丹明B(Rh B)的反应来考察光催化剂的光催化活性。结果表明,Fe3O4/MnO2/Mn3O4光催化剂在模拟光照下130min的效率为94.50%,光催化剂的催化活性远超过了Fe3O4/MnO2组分,并且在四个循环之后,催化剂的催化性能仍保持在78.40%,稳定性较好。(2)制备了花状Fe3O4/SiO2/MnO2/BiOBr-Bi磁性复合催化剂,将BiOBr半导体、Bi金属与MnO2进行复合构建p-n异质结来提高催化性能,由磁性内核及花状外壳构成核壳结构。通过SEM、TEM、XRD、XPS、BET和VSM来对复合材料进行形貌和成分表征分析。在模拟光照下,用降解亚甲基蓝(MB)的反应来考察光催化剂的光催化活性。此外,考察了催化剂用量对催化效率的影响以及催化剂的循环使用稳定性。结果表明,Fe3O4/SiO2/MnO2/BiOBr-Bi复合材料具有较高的比表面积,最佳用量为15 mg的光催化剂在模拟光照射下150 min内对MB水溶液的光催化降解效率为95.23%,性能优异。(3)采用CN前驱体原位涂覆和低温再组装的方法制备Fe3O4/C/MnO2/C3N4磁性复合催化剂,构建超薄g-C3N4与花状MnO2之间的Z型异质结来提高催化性能,导电C层的引入也可有效避免光生载流子的复合,磁性内核便于磁分离回收。通过SEM、TEM、XRD、拉曼光谱仪、XPS、BET和VSM来对复合材料进行形貌和成分表征分析。在模拟光照下,用降解甲基橙(MO)的反应来考察光催化剂的光催化活性。结果表明,15wt%配比的Fe3O4/C/MnO2/C3N4光催化剂在模拟光照射下140 min内对MO水溶液光催化降解效率为94.11%,且具有良好的循环稳定性。本文提供了三种关于MnO2基磁性复合光催化剂的制备方案,通过不同的异质结复合极大地改善了纯MnO2半导体的催化性能,为制备半导体异质结复合光催化剂提供了新的思路。
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