第47卷第3期2019年2月广摇州摇化摇工
GuangzhouChemicalIndustry
Vol郾47No郾3Feb郾2019
磁性核壳型Fe3O4@CeO2催化剂分解H2O2的性能研究
龚金钗,胡摇梦,陈燕红,吴宗梅,官泽会,田亚兰,秦航道
(铜仁学院材料与化学工程学院,贵州摇铜仁摇554300)
无选择性的羟基自由基,开发出性能优异的催化剂是该方法的关键所在。采用溶剂热法制备出磁性核壳型的Fe3O4@CeO2纳米催化剂,并采用N2吸附-脱附、磁性测试和透射电子显微镜(TEM)对制备的Fe3O4@CeO2催化剂进行表征。考查Fe3O4及Fe3O4@CeO2分解H2O2的性能,结果表明,相比Fe3O4,CeO2包覆后的Fe3O4@CeO2分解的H2O2效率得到了提高。
摘摇要:催化湿式过氧化氢氧化是常见的一种降解水中有机物的方法,催化剂的加入能促使H2O2分解产生氧化能力更强且
摇
关键词:磁性材料;核壳结构;CeO2;H2O2分解中图分类号:X52摇
摇文献标志码:A摇文章编号:1001-9677(2019)03-0041-03
StudyonDecompositionofH2O2byMagneticCore-shell
StructuredFe3O4@CeO2Catalyst
GONGJin-chai,HUMeng,CHENYan-hong,WUZong-mei,GUANZe-hui,TIANYa-lan,QINHang-dao
(SchoolofMaterialandChemicalEngineering,TongrenUniversity,GuizhouTongren554300,China)Abstract:Catalyticwetperoxideoxidationhasbeenwidelyusedintheremovaloforganicpollutantsinwater郾TheadditionofcatalystcanpromotethedecompositionofH2O2intohydroxylradical,socatalystplaysanimportantroleinthistechnology郾Amagneticcore-shellstructuredFe3O4@CeO2catalystwaspreparedbysolvothermalmethod郾TheobtainedsampleswerecharacterizedbyN2adsorption-desorptionmagneticmeasurementandtransmissionelectronmicroscopy(TEM)郾ThedecompositionofH2O2byFe3O4andFe3O4@CeO2wasinvestigated郾TheresultsindicatedthatcomparedtoFe3O4,Fe3O4@CeO2enhancedthedecompositionefficiencyofH2O2郾
Keywords:magneticmaterial;core-shellstructure;CeO2;H2O2decomposition
催化湿式过氧化氢氧化是常见的一种降解水中有机物的方法,催化剂的加入能促使H2O2分解产生氧化能力更强且无选择性的羟基自由基,羟基自由基进而氧化降解水中的有机物[1]。铁基催化剂是常见的用于催化湿式过氧化氢氧化的催化剂,在其表面能形成类芬顿反应体系[2-3]。此外,稀土氧化物CeO2由于其独特的储氧释氧性能和变价性能也被广泛应用于高级氧化技术中。Xu等[4]采用浸渍法制备出Fe3O4/CeO2复合氧化物催化剂,并将其用于催化湿式过氧化氢氧化水中的对氯苯酚,结果表明,相比Fe3O4和CeO2,Fe3O4/CeO2大幅度提高了的对氯苯酚去除效率。但是,反应过程中存在活性组分Fe的流失,流失的Fe达到了11郾8mg/L。
鉴于此,本文考虑将CeO2包覆于Fe3O4上,制备核壳结构的Fe3O4@CeO2催化剂,以减少活性组分Fe的流失,并利用Fe3O4的磁性回收溶液中的催化剂。采用溶剂热法制备出磁性核壳型的Fe3O4@CeO2催化剂,采用N2吸附-脱附、磁性测试和透射电子显微镜(TEM)对制备的Fe3O4@CeO2催化剂进行表征,并对比了Fe3O4及Fe3O4@CeO2在同条件下分解H2O2的性能。
1郾1摇Fe3O4@CeO2的制备
1郾2摇Fe3O4@CeO2的表征
醇中,得到混合物于50益下搅拌24h后,加入0郾05mol/L30%的H2O2溶液,搅拌2h后,离心分离出沉淀,将沉淀洗涤后于60益下干燥4h。将这1g得到的沉淀溶于20mL去离子水中并不断搅拌,然后加入浓至溶液的pH值为0郾1,恒温40益搅拌2h。冷却到室温,得到黄色透明的溶液。
称取0郾1gFe3O4分散于装有30mL去离子水和30mLCe前驱体溶液,超声15min。然后加入0郾5mol/L的氨水至溶液pH值为6郾8,将这溶液于50益下搅拌4h。反应结束后,采用外加磁场的方式将溶液中的颗粒分离并收集,采用乙醇洗涤收集的颗粒3次后于60益下干燥24h。将得到的颗粒用马弗炉在300益煅烧3h,即得Fe3O4@CeO2样品。
Fe3O4@CeO2催化剂的比表面积和孔体积采用BuilderSSA-
将1gCe(NO3)3·6H2O和1gNaOH依次溶解于20mL乙
1摇实摇验
摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇
420比表面积测定仪进行测定,采用N2吸附-脱附等温线于-196益进行计算。测试前,样品需在300益下真空脱气24h,确定样品的磁性,测试在JDM-13数显型振动样品磁强计上进行测定。样品的形貌和表面结构通过JEM-2010型透射电子显
第一作者:龚金钗(1998-),女,铜仁学院化学师范专业学生。
通讯作者:秦航道(1988-),男,副教授,主要从事水处理技术的研究。
摇42广摇州摇化摇工2019年2月
1郾3摇H2O2分解试验
微镜(transitionelectronmicroscopy,TEM)进行表征。
采用高锰酸钾法测定水中H2O2的浓度,得到H2O2的浓度
2摇结果与讨论
2郾1摇Fe3O4@CeO2的表征
Fe3O4及Fe3O4@CeO2的物理化学性质如表1所示,Fe3O4
为0郾1818mol/L。继续采用高锰酸钾法测定H2O2分解。试验在250mL锥形瓶中进行,将5mL浓度为0郾1818mol/L的H2O2溶液和10mL浓度为3mol/L的H2SO4倒入其中。准确称取0郾1gFe3O4或Fe3O4@CeO2样品,将其倒入锥形瓶中并开始计时,间隔一段时间后取样分析。
的BET比表面积、孔体积、孔径分别为65郾6m2/g,0郾026cm3/g和5郾19nm。CeO2包覆之后,Fe3O4@CeO2的BET比表面积和孔体积均显著上升,这可能是由于包覆层存在很多孔道的缘故[5]。
表1摇Fe3O4及Fe3O4@CeO2的物理化学性质
Table1摇PhysicalandchemicalpropertiesofFe3O4andFe3O4@CeO2nanoparticles
样品Fe3O4@CeO2
Fe3O4
比表面积/(m/g)
2
图1是Fe3O4@CeO2的N2吸附-脱附等温线以及孔径分布图,从图1中可以看出,Fe3O4@CeO2的N2吸附-脱附等温线属于IV型,其磁性滞回线属于H3型,这表明Fe3O4@CeO2属于介孔结构[6]。此外,插图中的孔径分布图也表明Fe3O4@CeO2属于介孔结构。
104郾9
65郾6
(cm/g)
3
孔体积/0郾0260郾15
平均孔径/nm
5郾194郾49
饱和磁化强度/(emu/g)
69郾122郾9
颗粒大小/nm100~150100
22郾9emu/g,CeO2包覆层的存在使得Fe3O4@CeO2的磁化强度显著降低。此外,从插图中可以看出,通过外加磁场能很轻易地实现Fe3O4@CeO2催化剂的回收,这使得其用于催化湿式过氧化氢氧化水中的有机物时,能容易将其从水溶液中分离出来,为工业化提供了可能。
图3是Fe3O4@CeO2的TEM表征结果,购买的Fe3O4磁性颗粒的尺寸为100nm左右,CeO2包覆之后,Fe3O4磁性颗粒的尺寸约为100~150nm。
图1摇Fe3O4@CeO2的N2吸附-脱附等温线以及孔径分布Fig郾1摇N2adsorption-desorptionisothermsandporesize
distribution(theinset)ofFe3O4@CeO2
图3摇Fe3O4@CeO2的TEM图谱Fig郾3摇TEMimageofFe3O4@CeO2
2郾2摇Fe3O4@CeO2分解H2O2的性能
图2摇Fe3O4和Fe3O4@CeO2的磁性曲线
Fig郾2摇MagnetizationcurvesofFe3O4andFe3O4@CeO2nanoparticles
图2是Fe3O4和Fe3O4@CeO2常温下的磁性曲线,从图2可知二者均为超顺磁性,其饱和磁化强度分别为69郾1和
图4摇Fe3O4和Fe3O4@CeO2分解H2O2的性能Fig郾4摇DecompositionofH2O2byFe3O4andFe3O4@CeO2
(下转第49页)
第47卷第3期侯芳,等:甘蔗皮微波碱预处理废液中钙离子去除研究摇49
3摇结摇论
通过对甘蔗皮氢氧化钙预处理废液中钙离子的去除研究,得到较好的去除条件,即温度30益,时间5min,CO2通入量120mL,可以达到最大的钙离子去除率为郾45%。溶液中总糖损失率约8%,总酚去除率约60%,可以减弱预处理废液为底物进行厌氧发酵的抑制效应。
参考文献
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(上接第42页)
摇摇Fe3O4和Fe3O4@CeO2分解H2O2的试验结果如图4所示,从试验结果可以看出,相比Fe3O4,Fe3O4@CeO2的加入大幅度提高了H2O2的分解效率,这有可能是由于Fe3O4和CeO2之
3摇结摇论
间存在协同作用,促使H2O2更快地分解产生羟基自由基[7]。
孔结构、表面性质和磁性进行了表征,并考查了其分解H2O2的性能。结果表明,相比Fe3O4,Fe3O4@CeO2的加入大幅度提高了H2O2的分解效率,这有可能是由于Fe3O4和CeO2之间存在协同作用,促使H2O2更快地分解产生羟基自由基。此外,利用Fe3O4内核的磁性,能轻易地将Fe3O4@CeO2从水溶液中分离出来。Fe3O4@CeO2是颇具潜力的湿式催化过氧化氢氧化的催化剂。
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