鍶鐵氧體摻雜改性及其光催化活性研究.pdf

1、工業(yè)的迅猛發(fā)展帶來的環(huán)境安全問題引起了世界各國政府和學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注。實(shí)際上，在研究環(huán)境安全問題時(shí)，對(duì)水體環(huán)境安全的研究已經(jīng)提升至國家戰(zhàn)略高度，染料工業(yè)排廢對(duì)水體的污染直接影響著人類的生活。光催化技術(shù)能充分利用來自太陽光中的可見光來處理被污染水體中有機(jī)污染物，有利于解決水體安全問題。目前二氧化鈦?zhàn)鳛榫哂写硇缘陌雽?dǎo)體光催化材料之一，卻得不到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，主要原因是二氧化鈦或者具有類似結(jié)構(gòu)的部分半導(dǎo)體光催化材料的帶隙寬度較大，光生電子和

2、光生空穴容易融合。為了能夠更有效利用太陽光，開發(fā)具有可見光響應(yīng)的高效光催化材料已是必然趨勢(shì)。同時(shí)，處理廢水光化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后，光催化劑不能被完全回收，將可能產(chǎn)生二次污染。因此，開發(fā)可利用可見光的磁性光催化材料才更加符合綠色化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。本研究的目的在于通過對(duì)鍶鐵氧體進(jìn)行摻雜和改性，制備復(fù)合磁性光催化劑，研究金屬離子對(duì)鍶鐵氧體體系中鐵離子的取代機(jī)制和對(duì)磁性能的改變機(jī)制以及用于光催化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理，探討半導(dǎo)體對(duì)鍶鐵氧體的改性制備p-n-ty

3、pe磁性異質(zhì)結(jié)SrTiO3-SrFe12O19和BiOCl-SrFe12O19、n-n-type磁性異質(zhì)結(jié)BiVO4-SrFe12O19和ZnFe2O4-SrFe12O19的工藝條件，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和催化性能進(jìn)行表征。
　　以硬磁性材料SrFe12O19為基體，采用一步化學(xué)共沉淀法摻雜Sm3+制備得到SrFe12-xSmxO19(x=0.1～0.5)。當(dāng)x=0.1、0.3和0.5時(shí)，Sm3+離子取代晶格點(diǎn)12k(↑)上的Fe3+離子；

4、當(dāng)x=0.2時(shí)，Sm3+離子取代晶格點(diǎn)4f2(↓)和2a(↑)上的Fe3+離子；當(dāng)x=0.4時(shí)，Sm3+離子取代晶格點(diǎn)4f2(↓)上的Fe3+離子。SrFe12-0.4Sm0.4O19的飽和磁化強(qiáng)度最大（46.2emu/g），SrFe12-0.2Sm0.2O19的矯頑力最大（5194.3G）。SrFe12-0.4Sm0.4O19對(duì)亞甲基藍(lán)（以下簡(jiǎn)稱MB）的光催化降解率為96％，且磁回收再利用4次時(shí)對(duì)MB的光催化降解效率仍超過80%，表明

5、其具有較高的光催化活性和穩(wěn)定性。摻雜的Sm3+離子可能作為導(dǎo)帶上電子的捕獲中心，抑制了光生電子-空穴的融合，進(jìn)而提高了SrFe12O19的光催化活性。為了對(duì)比研究，采用相同的制備方法，摻雜Sm3+和Co2+制得了SrFe12-xSmxCoxO19(x=0.1～0.5)。結(jié)果表明，摻入Sm3+和Co2+離子沒有改變M-type鍶鐵氧體的內(nèi)在晶體結(jié)構(gòu)；當(dāng)x=0.1時(shí)飽和磁化強(qiáng)度、剩余磁化強(qiáng)度和矯頑力均最大（分別為28.05emu/g、16.

6、10emu/g和3064G），其對(duì)MB的光催化降解效率為99%，重復(fù)光催化實(shí)驗(yàn)4次時(shí)的光催化降解效率仍超過80%。
　　以SrFe12O19為基體采用化學(xué)合成方法成功構(gòu)筑了p-n-type磁性異質(zhì)結(jié)SrTiO3-SrFe12O19。測(cè)試分析表明，SrTiO3-SrFe12O19包含SrTiO3和磁性組分SrFe12O19；SrTiO3-SrFe12O19的光催化活性遠(yuǎn)超過SrTiO3和SrFe12O19，其原因?yàn)椋孩贅?gòu)成p-n型異

7、質(zhì)結(jié)，②SrTiO3-SrFe12O19自身產(chǎn)生了磁場(chǎng)效應(yīng)；③SrFe12O19本身作為一種可見光敏化劑能夠幫助SrTiO3-SrFe12O19吸收更多的光子。這三方面的因素產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)共同增強(qiáng)了其光催化活性。
　　以SrFe12O19為磁性基體采用水解和低溫焙燒法，制備了磁性異質(zhì)結(jié)光催化劑BiOCl-SrFe12O19。在BiOCl-SrFe12O19體系中BiOCl傾向于[110]方向生長(zhǎng)，[001]晶面暴露在光催化劑的表面

8、，而[001]晶面具有較高的光催化活性。BiOCl-SrFe12O19的飽和磁化強(qiáng)度為15.13emu/g，剩余磁化強(qiáng)度為9.01emu/g，矯頑力為5043.20G。BiOCl-SrFe12O19擁有優(yōu)異的磁性質(zhì)，有利于提高光催化活性和重復(fù)使用性能。在BiOCl-SrFe12O19體系中，SrFe12O19作為敏化劑可吸收光輻射；SrFe12O19自身的磁場(chǎng)有利于產(chǎn)生更多的光電子，并抑制光生電子和空穴的融合。
　　采用酒石酸絡(luò)合

9、法，在制備BiVO4的過程中摻入磁性基體SrFe12O19，制得BiVO4-SrFe12O19異質(zhì)結(jié)光催化劑。XRD檢測(cè)表明BiVO4-SrFe12O19為單斜晶系，SEM圖像顯示BiVO4均勻地分布在具有六方晶型的鍶鐵氧體的表面。BiVO4-SrFe12O19光催化活性遠(yuǎn)超過BiVO4和SrFe12O19，新鮮態(tài)的BiVO4-SrFe12O19和使用五次后樣品的磁化強(qiáng)度分別為16.5emu/g和20.0emu/g，新鮮樣品和使用5次后