构筑磁分离型可见光驱动Fe3O4@SiO2@AgX:Ag纳米光催化剂

摘要

近年来,表面等离子体纳米异质结光催化剂AgX:Ag因为其高效的催化活性剂稳定性引起研究者的关注。为减少纳米光催化剂的损失,反应过程中需离心操作进行回收,这给光催化剂的实际应用带来极大的不便。鉴于磁性纳米粒子Fe3O4具有较大的比表面积和良好的分离回收特性,将其作为光催化剂的载体,可制成磁性Fe3O4@SiO2@AgX:Ag复合纳米材料,使其既具有粉状纳米光催化剂优良的光催化活性,又可通过外加磁场实现光催化剂与反应液的迅速分离。
　　 本文采用多元醇法合成分散性好、尺寸均一、磁性较强的Fe3O4纳米球,通过改进的St(o)ber方法得到Fe3O4@SiO2复合纳米球,对其进行物相结构、形貌及磁学性质进行分析。利用SiO2与稳定剂PVP之间的氢键作用,在相同的多元醇体系中将AgCl沉积在Fe3O4@SiO2表面,之后通过光还原作用得到分散性良好的磁分离型Fe3O4@SiO2@AgCl:Ag等离子光催化剂。通过XRD、UV-vis、SEM、HRTEM、EDS及VSM对催化剂进行了表征,表明磁分离型光催化剂为负载型结构。本文合成的磁分离型光催化剂在降解有机污染物方面表现出较高的活性及稳定性,4 min可将RhB降解完全,且8次循环之后活性不变,稳定性良好。在可见光照射下,该催化剂亦可光催化降解甲基橙及亚甲基蓝。通过在体系中添加捕获剂探索了光催化反应机理,确定主要反应活性物种为h+或·OH。
　　 通过改变光还原时间、磁流体浓度、硅壳层厚度来探寻磁分离光催化剂的最佳合成工艺,以7.5 mL Fe3O4水溶液、2.0 mL TEOS、可见光光还原20 min工艺制备的光催化剂反应活性最高。在可见光照射下,Fe3O4@SiO2@AgCl:Ag可有效降解常见污染物,如甲基红、孔雀石绿、茜素红、异丙醇、重金属离子等,表明本文制备的磁分离型光催化剂有着广泛适用性。考察了有机物光催化与重金属离子光催化还原的联系,在甲基红存在条件下,Cr6+的光催化还原效率增加,验证了有机物的光催化氧化与重金属离子光催化还原的协同作用。利用磁分离型:Fe3O4@SiO2@AgCl:Ag催化剂可见光光催化还原CO2,反应5 h后,产物中包含甲醇、乙醇、正丙醇组分,总产量达到16.656mmol/g-cat。
　　 采用多元醇法合成磁分离型Fe3O4@SiOz@AgBr:Ag及Fe3O4@SiO2@Agl:Ag催化剂。利用Fe3O4@SiO2@AgBr:Ag可见光光催化还原CO2,产物包含甲醇、乙醇两种组分,总量达到4.792 mmol/g-cat。通过XRD、TEM、XPS、VSM分析,表明复合光催化剂Fe3O4@SiO2@AgI:Ag为特殊的胶囊结构,相同条件下进行光还原CO2循环反应,产物包含甲醇、乙醇、正丙醇三种组分,总产量最高达到35.83 mmol/g-cat。考察了Ag含量、光子、I-在光还原CO2过程中的重要影响,并对反应机理进行了探索。