多孔铁基和钒基氧化物催化剂的可控制备及消除有机污染物的催化性能

多孔铁基和钒基氧化物催化剂的可控制备及消除有机污染物的催化性能消除环境污染迫在眉睫，催化氧化技术被公认为最有发展前景的治理手段之一，开展新型高效多相催化材料的优化设计、可控制备、催化性能评价以及构效关系探讨具有重要的学术意义和实用价值。众所周知，对于气相中挥发性有机物（VOCs）的完全氧化反应，钙钛矿型氧化物的催化性能与其化学组成、表面元素组成、比表面积、孔结构及氧化还原能力等因素有关；对于水体中各种有机污染物（如染料和VOCs等）的光催化降解反应，可见光响应型催化剂的活性与其化学组成、能带结构、晶体结构、粒子形貌、比表面积以及孔结构等因素有关。具有较高稳定性、大比表面积和发达孔结构的多孔复合氧化物已在电、磁、吸附和催化等领域显示出远大的应用前景。本论文以多铁性铁基钙钛矿型氧化物和新型钒基复合氧化物为研究对象，围绕着多孔材料的设计、制备以及如何改善其物化性质以提高其氧化有机污染物的催化性能而展开。本论文的第3~5章的主要内容为：采用葡萄糖辅助的水热法和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）硬模板法制备一系列规整形貌或多孔结构的AFeO3（A=Sr,La,Eu）和三维有序大孔（3DOM）结构的Eu0.6Sr0.4FeO3负载的Co3O4纳米粒子催化剂，利用多种表征技术测定其物化性质，评价其对典型VOCs（如甲苯等）完全氧化反应的催化活性，并探讨其催化反应动力学；本论文的第6~8章的主要内容为：采用PMMA硬模板法、等体积浸渍法、低温沉积法以及鼓泡还原法制备一系列3DOM结构的钒酸盐（3DOMMVO4，M=In,Bi）及其多组分复合结构的新型高效可见光响应型催化材料，利用多种分析技术表征其物化性质，评价其在可见光照射下对水体中有机污染物（罗丹明B、亚甲基蓝、苯酚、对氯苯酚等）的光催化降解活性，探讨有机污染物在催化剂上的光催化降解机理。论文取得如下研究结果：（1）建立一种简易制备多级孔结构钙钛矿型氧化物催化剂的葡萄糖辅助的一锅水热法，获得多孔空心球状SrFeO3δ和具有均匀介孔结构的LaFeO3块体催化剂。多孔空心球状SrFeO3δ催化剂的适宜制备条件为：前驱液pH值约为4.2，葡萄糖浓度为0.3mol/L，乙二胺体积为1.0mL，水热温度为170oC，反应时间为20h，由此所得催化剂对甲苯氧化反应显示最高的催化活性[当空速（SV）为20000mL/(gh)时，甲苯转化率达90%时的反应温度（T90%）为298oC]，这与其较大的比表面积（26.5m2/g）、较小的晶粒尺寸（42.5nm）、较高的表面吸附氧浓度[表面吸附氧物种与表面晶格氧物种的摩尔比（Oads/Olatt）为1.94]和较好的低温还原性能有关。介孔结构的LaFeO3催化剂的适宜制备条件为：前驱液pH值约为9.3，葡萄糖浓度为0.3mol/L，乙二胺体积为1.0mL，水热温度为170oC，反应时间为14h，由此所得LaFeO3催化剂的比表面积为25.8m2/g、晶粒尺寸为32.8nm、表面Oads/Olatt摩尔比为2.42，在SV为20000mL/(gh)时其对甲苯氧化反应的T90%为275oC，表观活化能为50.1kJ/mol。研究结果表明，水热反应中金属源的种类可影响目标催化剂的粒子形貌或孔结构以及催化性能，发达的孔结构、高的比表面积和表面吸附氧量以及优异的低温还原性能有助于提高催化剂的活性。（2）采用PMMA硬模板法制备了具有良好质量的3DOMEu1xSrxFeO3(x=0,0.4,1.0)催化剂。其中，3DOMSrFeO3δ呈立方晶相结构，晶粒（37nm）较大，孔壁较厚，比表面积（61.4m2/g）较大，表面吸附氧量和初始氢气消耗量也最大；3DOMEuFeO3呈正交晶相结构，比表面积（20.6m2/g）较小，表面吸附氧量较少，低温还原性较差；A位掺杂后形成的3DOMEu0.6Sr0.4FeO3具有最小的晶粒尺寸（25nm）、适中的比表面积（31.3m2/g）和表面吸附氧量，低温还原性最好。在SV为20000mL/(gh)时，甲苯在3DOMSrFeO3δ、3DOMEuFeO3和3DOMEu0.6Sr0.4FeO3催化剂上氧化的T90%分别为310oC、347oC和305oC，在3DOMEuFeO3和3DOMEu0.6Sr0.4FeO3催化剂上的表观活化能分别为82.0kJ/mol和81.1kJ/mol。研究结果还表明，各催化剂的制备条件因前驱液中金属硝酸盐的物化性质差异而有所区别，获得目标产物的3DOM结构或形貌特征也因催化剂的化学组成不同而不同，良好的3DOM结构和A位掺杂有助于提高催化剂对甲苯完全氧化反应的催化活性，并降低反应所需的表观活化能。（3）采用等体积浸渍法制备了比表面积为22.6~27.8m2/g的1~10wt%Co3O4/3DOMEu0.6Sr0.4FeO3催化剂，通过与体相结构的催化剂的活性对照后可知，3DOM结构的催化剂的活性优于其对应体相结构的催化剂的，且当Co3O4负载量为3~6wt%时得到的催化剂的活性最高：在空速为20000mL/(gh)时，甲苯在3~6wt%Co3O4/3DOMEu0.6Sr0.4FeO3催化剂上的T50%和T90%分别为250oC和270oC，比3DOMEu0.6Sr0.4FeO3的降低了约30oC，比3DOMCo3O4的也降低了10~20oC；同时，对甲苯氧化反应的表观活化能也有所降低（如在6wt%Co3O4/3DOMEu0.6Sr0.4FeO3上的为71.6kJ/mol，在3DOMEu0.6Sr0.4FeO3上的为81.1kJ/mol，在3DOMCo3O4上的为73.9kJ/mol）。3~6wt%Co3O4/3DOMEu0.6Sr0.4FeO3催化剂优良的催化性能与其高质量的3DOM结构、较大的比表面积、较高的表面吸附氧浓度、多种价态金属离子的共存以及较好的低温还原性等相关。（4）提出了将3DOM结构、异质结和等离子体效应相结合制备高效光催化剂的结构设计理念，采用PMMA硬模板法和聚乙烯醇保护的鼓泡还原法制备了3DOMInVO4–BiVO4（InBi-3D）以及负载少量（0.2wt%左右）贵金属M（M=Au、Ag、Pt和Pd）纳米粒子（3~4nm）的多孔复合结构的可见光响应型催化剂材料（M/InBi-3D）。各催化剂的带隙能较为接近（2.50~2.56eV），负载贵金属可改善催化剂的表面组成。Au/InBi-3D样品在可见光照射下降解亚甲基蓝和罗丹明B的光催化性能最好，主要是由于其结构特征提高了材料对光能的捕获和转化能力，促进了光生载流子的分离和转移。具有层级分布的3DOM纳米结构具有较大的比表面积（25.1m2/g）、孔容（0.253cm3/g）和较高的孔隙率（74%），有利于染料分子的吸附与传质，而且3DOM纳米结构有益于贵金属组分的均匀分散，表面暴露的活性位点更多，从而有助于反应速率的提高。此外，根据MB+RhB混合染料在Au/InBi-3D光催化剂上的降解活性并借助动力学分析，提出了混合染料在光催化剂上的“竞争”降解机制。（5）采用PMMA硬模板法、等体积浸渍法和低温沉积法分别制备了由n型3DOMBiVO4（Eg=2.56eV）负载窄带隙的p型Fe2O3半导体构成的p-Fe2O3/3DOMn-BiVO4异质结构光催化剂以及负载光敏材料AgBr构成的AgBr/3DOMBiVO4异质结构光催化剂，二者均具有低结晶度表面（即梯级结构表面），但前者具有二级带隙能（2.51eV和1.89eV），后者保持一级带隙能（2.61eV）。采用聚乙烯醇保护的鼓泡还原法将贵金属M纳米簇负载到这些异质结构光催化剂表面而制得M/p-Fe2O3/3DOMn-BiVO（4M=Au、Pt、Pd）和M/AgBr/3DOMBiVO4（M=Au、Pt、Pd）三相复合结构光催化剂。将二者分别用于在可见光照射下初始浓度为0.4mmol/L的苯酚和初始浓度为15mg/L的对氯苯酚溶液的降解反应。结果表明，Pd/Fe2O3/3DOMBiVO4和Pd/AgBr/3DOMBiVO4光催化剂对苯酚和对氯苯酚降解显示出最高的光催化活性，苯酚在前者光催化剂上完全降解的反应时