高效降解染料的铁基非晶/纳米晶合金制备及表面改性

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合成染料的广泛使用不仅会对水资源环境造成难以解决的困扰,更会对人体健康带来危害。因此合理处理染料污水,降解染料分子对于环境保护和安全健康等领域具有非常重大的意义。非晶合金由于独特的原子长程无序结构和亚稳状态表现出的高催化活性,近年来在催化降解领域展现出巨大魅力和潜力,也为污水治理行业的应用提供了理论基础和实际可行性。本论文通过不同元素微合金化,设计制备具有优异光催化降解性能的铁基非晶/纳米晶合金薄带,研究其表面改性前后的催化降解染料性能。借助XRD、TEM、SEM、XPS等表征手段分析研究了降解性能优异的原因和机理。并以铁基非晶合金和铁基纳米晶合金二类条带作为前驱体,分别利用电化学脱合金和化学脱合金法改变合金条带表面的物相和结构,探究造成催化降解性能变化的原因。在设计制备的Fe Cu BP、Fe Cu BY、Fe Zr BY、Fe Si BPCu、Fe Ti B、Fe Si B合金带材中,Fe80Cu4B14P2表现出最高的催化降解染料效率,模拟可见光下仅8min就可完全降解20mg/L的罗丹明B溶液,反应速率常数高达0.51min-1,并具有较好的催化稳定性。这种优异的降解性能主要源自于形成的两类微观原电池,加速了Fenton反应过程中的电子传输效率,提高自由基的产生效率,从而提升催化降解性能。另外在降解过程中合金表面会形成独特的三维多孔网状结构,增大了与溶液接触的比表面积,还会不断暴露出新鲜的合金基体,促进催化降解反应持续进行。通过调整Fe84-xCuxB14P2系合金成分,改变其非晶形成能力与凝固条件相匹配,成功利用旋淬法一步制备出含不同体积分数纳米晶的铁基纳米晶合金条带,避免了常规热处理制备纳米晶合金的冗杂工艺。随Cu含量提高,合金由完全非晶结构转变为非晶纳米晶复合结构,且纳米晶体积分数不断提高,为后续纳米晶合金的表面改性奠定了基础。随着Fe84-xCuxB14P2(x=1、4、6、8)中Cu含量的提升,催化降解染料效率呈现先升高后降低的趋势,在Cu含量为4%时催化效率为最高。当Cu含量较低,合金中微观不均匀程度低,形成的原电池数量少导致电子传输效率不高;当Cu含量较高,非晶体积分数降低,意味着热力学上部分原子也由非晶亚稳态转变为稳态,导致催化反应位点数量减少,故降解效率降低。Fe78Cu6B14P2纳米晶合金条带在低电位电化学脱合金处理后,原本的光滑表面转变为典型的纳米多孔结构表面,反应速率常数从0.244提升至0.574min-1,催化降解染料性能提升明显。这是由于纳米多孔结构具有更大的比表面积,充分暴露出更多反应位点和活性物质,故降解性能明显提升。Fe80Zr6B12Y2非晶合金条带在HF中脱合金腐蚀后,催化降解性能可得到明显改善,且降解染料效率随脱合金时间延长而提高。这是因为合金经过脱合金处理后,表面会密集分布着非晶结构的脱合金产物(Fe,Y)OF。电化学阻抗结果表明,(Fe,Y)OF可以显著降低合金表面的电荷转移电阻,加速电子转移,从而加快Fenton反应中·OH生成速率,提高合金的催化降解染料效率。
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