【摘要】：近年來,本課題組利用簡單的一步水熱法,將石墨烯和鐵酸錳、鐵酸鎳進行摻雜,先后制備出石墨烯鐵酸錳和活性炭鐵酸鎳納米光催化材料,并發(fā)現(xiàn)在可見光輻射作用下,這兩種光催化劑均能利用可見光能量催化分解過氧化氫產(chǎn)生活性因子,從而有效地降解氨.基于此,本文采用簡單的水熱法成功制備出新型的高效多相石墨烯鐵酸鉍(rG-BiFeO_3)催化劑,并嘗試在不添加H_2O_2的條件下進行光降解氨氮實驗.結(jié)果表明,該復(fù)合光催化劑仍可接受可見光輻射,在rG和BiFeO_3的協(xié)同作用下高效地光分解氨氮.由X射線衍射結(jié)果計算出rG-BiFeO_3的平均粒徑約為18.5 nm.通過清晰的rG-BiFeO_3的透射電鏡圖可以觀察到,BiFeO_3納米顆粒物較均勻地分散在r G的二維表面上.對比BiFeO_3和rG-BiFeO_3的傅里葉變換紅外光譜可以發(fā)現(xiàn),rG和BiFeO_3之間可能形成了化學鍵.拉曼光譜結(jié)果表明,相對于純的GO,rG-BiFeO_3拉曼譜線的D帶和G帶發(fā)生了藍移,表明石墨烯鐵酸鉍復(fù)合材料中的GO被充分還原成石墨烯.對比BiFeO_3和rG-BiFeO_3的紫外-可見漫反射光譜發(fā)現(xiàn),rG-BiFeO_3的漫反射光譜發(fā)生了紅移,表明rG-BiFeO_3光催化材料對可見光的響應(yīng)程度進一步提高.比表面積測定表明,BiFeO_3的比表面積為21.0 m~2/g,而rG-BiFeO_3催化劑的比表面積則增加到48.6 m~2/g,說明rG-BiFeO_3的吸附性能將得到很大提高.可見光催化反應(yīng)結(jié)果表明,在不添加H2O2,p H=11的條件下,0.2 g rG-BiFeO_3對50 mg/L NH_3-N的降解率達到91.2%.動力學研究表明,BiFeO_3光催化劑氧化氨氮反應(yīng)遵循一級反應(yīng)動力學規(guī)律.另外,由于BiFeO_3納米材料本身具有一定的弱磁性,所以BiFeO_3和r G的復(fù)合材料也具有一定的磁性,較易回收.催化劑經(jīng)過7次循環(huán)使用后,仍然具有很高的光催化活性.根據(jù)已有文獻報道,吸附在催化劑表面的氨氮被氧化的路徑有兩條:(1)氨在被氧化為NH_2,NH和N_2H_x+y(x+y=0,1,2)等一系列中間產(chǎn)物后,最終被分解為氮氣;(2)氨被氧化為中間產(chǎn)物HONH_2,最終分解為硝酸鹽和亞硝酸鹽.本文利用紫外-可見分光光度計對rG-BiFeO_3光降解體系下的氨溶液進行了全波長掃描,在206和211 nm處未檢測到任何吸光度,從而排除了氨氮最終分解產(chǎn)物為硝酸鹽和亞硝酸鹽的可能性.這意味著rG-BiFeO_3可見光降解氨體系符合第一種氧化路徑.進一步的機理研究表明,反應(yīng)過程中石墨烯與鐵酸鉍之間的協(xié)同作用所產(chǎn)生的空穴、超氧陰離子自由基和羥自由基共同將NH_3直接氧化成N_2,其中羥基自由基在整個氧化分解過程中起著最主要的作用.
[Abstract]:In recent years, graphene, manganese ferrate and nickel ferrate were doped with graphene, manganese ferrate and nickel ferrate by a simple one-step hydrothermal method, and nanometer photocatalysis materials of manganese ferrate and nickel ferrate on activated carbon were prepared successively, and it was found that under the action of visible light radiation, nano-photocatalysis materials of manganese ferrate and nickel ferrate were prepared. Both of these photocatalysts can catalyze the decomposition of hydrogen peroxide with visible light energy to produce active factors, thus effectively degrade ammonia. Based on this, a new type of polyphase bismuth graphene ferrate (rG-BiFeO_3) catalyst was successfully prepared by a simple hydrothermal method, and the photodegradation of ammonia-nitrogen was carried out without the addition of H_2O_2. The results show that the composite photocatalyst can still accept visible light radiation and efficiently decompose ammonia nitrogen under the synergistic action of rG and BiFeO_3. The average particle size of rG-BiFeO_3 is about 18.5 nm. calculated from the results of X-ray diffraction. It can be observed that nano-particles of BiFeO_3 dispersed uniformly on the two-dimensional surface of rG by clear transmission electron microscope of rG-BiFeO_3. Compared with the Fourier transform infrared spectra of BiFeO_3 and rG-BiFeO_3, the chemical bond between rG and BiFeO_3 may be formed. Raman spectra show that the blue-shift of D-band and G-band of the pure GO,rG-BiFeO_3 Raman line indicates that the GO in the bismuth graphene ferrate composite is fully reduced to graphene. Compared with the UV-visible diffuse reflectance spectra of BiFeO_3 and rG-BiFeO_3, it was found that the diffuse reflectance spectra of rG-BiFeO_3 shifted red, indicating that the response of rG-BiFeO_3 photocatalytic materials to visible light was further improved. The specific surface area measurement showed that the specific surface area of BiFeO_3 was 21.0 mg ~ 2 g, while the specific surface area of rG-BiFeO_3 catalyst was increased to 48.6 mg ~ 2 g, which indicated that the adsorption performance of rG-BiFeO_3 would be greatly improved. The results of visible light catalytic reaction showed that the degradation rate of 50 mg/L NH_3-N was 91.2% under the condition of 0.2 g rG-BiFeO_3 without adding H 2O 2 and p H 2O 11. The kinetic study showed that the oxidation of ammonia nitrogen over BiFeO_3 photocatalyst followed the first order reaction kinetics. In addition, due to the weak magnetic properties of BiFeO_3 nano-materials themselves, the composites of BiFeO_3 and r-G also have certain magnetic properties and are easy to be recovered. After 7 cycles of recycling, the catalyst still has high photocatalytic activity. According to previous reports, there are two pathways for the oxidation of ammonia nitrogen adsorbed on the surface of the catalyst: (1) ammonia is decomposed into nitrogen after being oxidized to a series of intermediate products such as NH_2,NH and N_2H_x y (x y 0, 1, and 2); (2) ammonia was oxidized to the intermediate product HONH_2, and finally decomposed to nitrate and nitrite. In this paper, all-wavelength scanning of ammonia solution in rG-BiFeO_3 photodegradation system was carried out by UV-vis spectrophotometer. No absorbance was detected at 206and 211nm. Thus, the possibility that the final decomposition product of ammonia nitrogen is nitrate and nitrite is excluded. This means that the rG-BiFeO_3 visible light degradation system conforms to the first oxidation pathway. Further study on the mechanism shows that the hole produced by the synergistic action between graphene and bismuth ferrate, superoxide anion radical and hydroxyl radical can directly oxidize NH_3 to N ~ (2 +) _ (2) in the reaction process. Hydroxyl radical plays the most important role in the whole process of oxidative decomposition.
【作者單位】： 上海交通大學環(huán)境科學與工程學院;蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院;
【基金】：supported by the National Natural Science Foundation of China (21347006, 21576175, 51478285, 51403148) the Opening Project of Key Laboratory of Jiangsu Province Environmental Science and Engineering of Suzhou University of Science and Technology (zd131205) the Collaborative Innovation Center of Technology and Material of Water Treatment~~
【分類號】：O643.36

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本文編號：2462942