形貌可控赤铁矿的合成及其对亚甲基蓝的降解

论文摘要

粒径均一、形貌特殊的单分散赤铁矿（a-Fe2O3）具有优良催化、电学和磁学等性能,使其在光、电、磁、催化以及医药等领域广泛应用。Fe（Ⅱ）参与的化学沉淀法是一种高效、环境友好且能催化合成赤铁矿的方法；但参与反应的Fe（Ⅱ）易被氧化难以在空气中稳定存在,因此该反应条件苛刻,不易操作；此外,Fe（Ⅱ）在高pH反应体系中易沉淀,催化效果减弱。本文分别以抗坏血酸（AA）、草酸（OA）、葡萄糖（G）为还原剂、尿素为沉淀剂,通过化学沉淀法、沉淀-煅烧法合成了不同形貌的α-Fe2O3；利用X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（sEM）、透射电镜（TEM）、红外光谱（FT-IR）及比表面积分析（BET）等表征了产物的物相组成、形貌、粒径及比表面积等性质；研究了不同形貌的α-Fe2O3在自然光照条件下对阳离子型染料亚甲基蓝（MB）的降解能力,并探讨了矿物降解MB效率的相关影响因素。取得的主要结果有：1、还原剂（AA、OA、G）参与的化学沉淀法催化合成了不同类型的铁氧化物和不同形貌、粒径大小的赤铁矿。反应体系pH、温度和时间等因素影响合成产物的转化速率、物相组成和结晶度。pH7为转化的最适pH值；随温度升高产物由纤铁矿向针铁矿进而转化为赤铁矿；延长反应时间则能提高产物结晶度；体系Fe3+和NaOH溶液的初始浓度通过影响Fe3+水解程度可调控产物粒径大小,较低浓度的Fe3+及NaOH溶液有助于形成较小粒径产物；还原剂（AA、OA、G）的添加量影响产物物相组成、结晶度和形貌。AA添加量由0.5%增加至1%,产物形貌由粒径50-80nm的圆球体转变为直径50-80nm,长度200-300nm的椭球体,增至2%时,形貌转变为直径50-80nm,长度400-500nm的纺锤体；OA添加量对产物结晶度影响显著、而对形貌影响不明显；G添加量为0.25-2%时合成产物为赤铁矿（α-Fe2O3）,形貌由G添加量为0.25%时直径50-80nm的圆球体转变为G添加量为2%时直径50-80nm、长度150-200nm的短椭球体；当添加量为4%和10%时产物则分别为磁赤铁矿（γ-Fe2O3）和磁铁矿（Fe3O4）。2、尿素参与的均匀沉淀法合成了赤铁矿和四方纤铁矿。尿素/Fe3+摩尔比及Fe3+溶液的初始浓度对产物结晶度和粒径具有调控作用。合成赤铁矿呈粒径20-30nm、形貌不规则颗粒体；四方纤铁矿则多为直径20-50nm,长度150-500nm的纳米棒,当Fe3+溶液浓度增至0.132 mol/L时可得直径30-50nm,长度400-500nm的四方纤铁矿（β-FeOOH）、经煅烧可合成多孔结构的α-Fe2O3纳米棒,且随煅烧温度升高,赤铁矿结晶度逐渐增加。3、2%AA还原条件下合成的纺锤体α-Fe2O3对MB的降解效率最高,其降解动力学曲线符合一级动力学方程,该过程为α-Fe2O3作为Fe3+离子供体的类芬顿反应。α-Fe2O3对MB的降解效率随体系H2O2含量和矿悬液浓度增加而提高,但随体系酸度的增加而先增加后逐渐减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 常见铁氧化物性质和用途
• 1.1.1 常见铁氧化物的类型和性质
• 1.1.2 铁氧化物的用途
• 2O₃的制备方法概述'>1.2 α-Fe₂O₃的制备方法概述
• 1.2.1 水热/溶剂热法
• 1.2.2 胶体化学法
• 1.2.3 热分解法
• 1.2.4 模板法
• 1.2.5 水解法
• 1.2.6 沉淀法
• 2O₃形成的影响因素'>1.3 沉淀法中α-Fe₂O₃形成的影响因素
• 1.3.1 铁氧化物的形成转化机制
• 1.3.2 前驱物影响
• 1.3.3 添加剂影响
• 2+催化形成铁氧化物'>1.3.4 Fe²⁺催化形成铁氧化物
• 1.4 铁氧化物芬顿反应降解亚甲基蓝
• 1.4.1 芬顿反应机理
• 1.4.2 铁氧化物降解亚甲基蓝
• 1.5 实验目的及意义
• 2 材料和方法
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 铁氧化物的合成
• 2.3.1 还原剂条件
• 2.3.2 尿素为沉淀剂条件
• 2.4 物相分析及表征
• 2.4.1 X-射线衍射（XRD）分析
• 2.4.2 扫描电镜（SEM）观察
• 2.4.3 透射电镜（TEM）观察
• 2.4.4 比表面积（SSA）测定及微孔分析
• 2.4.5 红外光谱（FT-IR）分析
• 2.5 亚甲基蓝的降解
• 3 结果与讨论
• 3.1 抗坏血酸（AA）条件下合成的铁氧化物
• 3.1.1 不同AA添加量
• 3.1.2 反应体系不同初始pH
• 3+及NaOH溶液初始浓度'>3.1.3 不同Fe³⁺及NaOH溶液初始浓度
• 3.1.4 不同反应时间
• 3.1.5 性质表征
• 3.1.5.1 比表面积
• 3.1.5.2 红外光谱
• 3.1.5.3 孔径分布
• 3.2 草酸（OA）条件下合成的铁氧化物
• 3.2.1 不同OA添加量
• 3.2.2 反应体系不同pH
• 3+溶液初始浓度'>3.2.3 不同Fe³⁺溶液初始浓度
• 3.2.4 不同NaOH初始浓度
• 3.3 葡萄糖（G）条件下合成的铁氧化物
• 3.3.1 不同G添加量
• 3.3.2 不同反应温度
• 3.4 尿素条件下合成的铁氧化物
• 3.4.1 正滴回流条件合成的赤铁矿
• 3.4.2 反滴回流条件合成的四方纤铁矿
• 3.4.3 煅烧四方纤铁矿前驱物合成的赤铁矿
• 3.5 亚甲基蓝（MB）的降解
• 3.5.1 不同合成方法赤铁矿对MB的降解
• 3.5.2 不同形貌赤铁矿对MB的降解
• 3.5.3 HCl浓度
• 2O₂含量'>3.5.4 H₂O₂含量
• 3.5.5 矿悬液浓度
• 3.5.6 MB初始浓度
• 4 讨论
• 4.1 还原条件下赤铁矿的形成
• 4.2 尿素条件下赤铁矿的形成
• 4.3 MB的降解
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间撰写的文章