新型鐵基材料的合成、表征及其性能研究.pdf

1、近年來，經(jīng)濟的快速發(fā)展給人們的生活帶來便利的同時，也嚴重污染了我們賴以生存的自然環(huán)境。人口的持續(xù)增長、工業(yè)和生活污水的排放、機動車尾氣排放以及建筑裝修等，都給自然界的大氣、水體、土壤帶來了嚴重污染，如何有效地治理環(huán)境污染成為全球所關(guān)注的研究熱點。在眾多的環(huán)境治理方法中，鐵作為地殼中含量最豐富的金屬元素之一，在環(huán)境催化領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。鐵基材料具有合成簡單，無污染，高活性，低成本的優(yōu)點，因此具有非常好的實際應用前景。在環(huán)境污染問題

2、日益嚴峻的今天，研究和開發(fā)新型鐵基材料的應用領(lǐng)域成為材料研究及環(huán)境治理的熱點方向之一。
　　鐵基材料，包括多鐵性復合材料，鐵（氫）氧化物，鐵合金，零價鐵等均能對環(huán)境污染物起到很好的修復作用。其中，納米鐵基材料由于具備了納米材料粒徑小，比表面積大等一系列的優(yōu)點，在污染物的治理過程中表現(xiàn)出很好的催化活性，受到越來越多科研工作者的青睞。同時，鐵基材料在污染物降解過程中，易與體系中的水(H2O)，氧氣(O2)，氫氧根(OH-)等發(fā)生氧化或

3、還原反應，生成一系列包括雙氧水(H2O2)，超氧負離子(·O2-)，羥基自由基(·OH)在內(nèi)的活性氧物種，繼而降解污染物。因此，研究鐵基材料在污染物降解過程中的反應機理，進而提高反應過程中活性物種的生產(chǎn)量，能夠在一定程度上拓寬鐵基材料的應用領(lǐng)域，并使其在環(huán)境治理領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
　　本論文主要側(cè)重于高活性鐵基材料的合成，通過簡單的制備方法，得到具有實際應用前景、低能耗、無污染的高活性鐵基催化劑，并研究探討其在大氣、水體污染治理

4、中的應用及其反應機理。論文中首先概括介紹了我國環(huán)境污染的現(xiàn)狀，并重點介紹了大氣、水體的污染狀況，常用的大氣、水體污染治理技術(shù)，鐵基材料的研究進展等。繼而詳細闡述了分等級結(jié)構(gòu)纖維狀納米LaFeO3、負載FeCl3的活性炭催化劑、以及具有核殼結(jié)構(gòu)的Fe@Fe2O3納米線的合成，通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X-射線衍射(XRD)、X-射線光電子能譜測試(XPS)、透射電子顯微鏡(TEM)、比表面積以及孔結(jié)構(gòu)測定等測試手段對所得鐵基材料進行了

5、表征，并對其催化活性及催化機理進行了深入細致的探討研究，為新型鐵基材料的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。
　　本論文的具體研究內(nèi)容主要包括以下幾方面:
　　1.以硝酸鐵和硝酸鑭為主要原料，首次在室溫下，采用溶膠-凝膠法，通過加入棉布作為模板，合成了具有分等級結(jié)構(gòu)的纖維狀LaFeO3納米催化劑，并通過XRD、SEM、TEM、XPS和CO催化氧化等測試對所得LaFeO3納米催化劑進行了成分、結(jié)構(gòu)、形貌和催化活性的研究。研究結(jié)果表明，加入棉

6、布模板后，所制得的納米LaFeO3材料可以很好地保持原模板的形貌，高分辨掃描電鏡結(jié)果顯示，所得LaFeO3為30～40nm的均勻顆粒，而傳統(tǒng)溶膠-凝膠法所合成的LaFeO3則為不規(guī)則團聚的大顆粒。文中我們也提出了分等級結(jié)構(gòu)纖維狀LaFeO3的形成過程。通過對加入模板及未加模板兩種方法所得LaFeO3樣品的比表面積的測試，我們發(fā)現(xiàn)模板法可以明顯增大樣品的比表面積。由于比表面積的增大，使得模板法所得樣品在催化氧化CO的過程中，表現(xiàn)出優(yōu)越的催

7、化性能和穩(wěn)定性。該合成方法操作簡單，價格低廉且綠色無污染，所得材料催化活性高，穩(wěn)定性好。該方法對于合成其他高活性的鐵基材料具有很好的借鑒意義。
　　2.采用簡單的浸漬方法，合成了負載Fe3+的活性炭催化劑，在微波條件下，研究了該反應體系對水華污染物藍藻的處理效果。通過光學顯微鏡對藍藻細胞的形貌進行了表征，同時通過對受試藍藻的光密度（opticaldensity,OD）、葉綠素a(Chla)含量、谷胱甘肽(L-Glutathione

8、，GSH)含量及超氧化物歧化酶（superoxidasedismutase，SOD）活性的測試結(jié)果表明，在微波作用(100℃，600W)下，該催化劑可在短短2.5min的時間內(nèi)達到很好的殺藻效果。藍藻細胞壁被破環(huán)，光密度值及葉綠素a含量均顯著降低。同時我們對該體系的反應機理也進行了深入的研究探討，發(fā)現(xiàn)在沒有活性炭的情況下，F(xiàn)eCl3僅僅起絮凝作用，只能將藍藻絮凝沉降，并未起到殺藻的作用。將氯化鐵負載在活性炭上后，通過X射線光電子能譜分析

9、，隨著微波反應的進行，體系中單質(zhì)鐵的含量逐漸增加。因此，我們提出了空穴摻雜的反應機理，即當藍藻細胞被吸附在FeCl3/AC催化劑的表面時，發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移的過程，即活性炭上的電子傳遞給Fe3+，活性炭上面便產(chǎn)生了空穴，而空穴具有很強的氧化性，可以將藍藻細胞氧化，使其逐漸衰亡。同時，我們也發(fā)現(xiàn)該催化劑具有非常優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。我們的這一工作首次報道了在微波體系中，加入負載FeCl3的活性炭催化劑可以達到快速高效的殺藻目的。
　　3.以

10、FeCl3，NaBH4為主要原料，室溫下合成了具有核殼結(jié)構(gòu)的Fe@Fe2O3納米線，將其負載在活性炭纖維(ACF)上，制備了Fe@Fe2O3/ACF電極材料，該材料在電-Fenton體系中用作電陰極。通過對模擬污染物羅丹明B的降解測試，我們發(fā)現(xiàn)中性電-Fenton體系中在陰極上負載Fe@Fe2O3納米線后，可以顯著增強羅丹明B的降解效果。通過對反應體系中超氧負離子(·O2-)及雙氧水(H2O2)含量的測試，我們發(fā)現(xiàn)該反應體系中Fe@Fe

11、2O3納米線可以誘導活化分子氧生成超氧負離子，這是增強RhB降解效果的主要原因。活化分子氧產(chǎn)生的超氧負離子進一步與電子和質(zhì)子反應產(chǎn)生雙氧水，由此得到的雙氧水與電化學體系中電陰極還原氧氣產(chǎn)生的雙氧水共同與Fe@Fe2O3納米線原位產(chǎn)生的亞鐵離子反應從而生成更豐富的羥基自由基，可以明顯增強羅丹明B的降解效果。
　　4.在前期工作的基礎(chǔ)上，我們進一步拓展了Fe@Fe2O3納米線的研究范圍。在本實驗中，我們制備了Fe@Fe2O3/碳氈電極

12、材料。在微生物燃料電池體系中，利用異化鐵還原菌的產(chǎn)電特性，我們研究了Fe@Fe2O3/碳氈電極對溫室氣體CO2的催化還原效果。通過對陽極鐵還原菌種類、電子供體以及陰極電解液的濃度、pH的篩選，得出了MFC體系中還原CO2的最優(yōu)條件。CO2還原產(chǎn)物通過離子色譜儀進行檢測，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)還原產(chǎn)物主要為甲酸。我們發(fā)現(xiàn)碳氈上負載Fe@Fe2O3納米線材料后，可以明顯增強陰極室甲酸的產(chǎn)量，且該催化劑在碳氈上具有很好的穩(wěn)定性。我們認為Fe@Fe2O3納