高活性纳米α-Fe2O3的制备及光电催化特性研究

摘要

赤铁矿（α-Fe2O3）作为重要的n型半导体材料，具有良好的超顺磁性、化学稳定性、耐酸碱和光腐蚀、价格低廉且环境友好等优点，目前已经在涂料、气体传感、催化剂、锂离子电池及生物医学等领域获得广泛的应用。特别是α-Fe2O3纳米材料，因具有较窄的带隙宽度（1.9 eV~2.2 eV），可以吸收太阳光谱大部分可见光（~45%），在光催化领域具有巨大的应用潜力。其光催化活性不仅与晶体结构有关，还与其尺寸、形貌、裸露晶面、比表面积、活性位点以及表面电性等有着密切的联系。精确控制纳米α-Fe2O3的晶体生长，实现其粒径及形貌结构的可控制备，对于获得高活性纳米α-Fe2O3并研究其光电催化特性具有十分重要的意义。 本文采用水热法可控制备了多种形貌结构的α-Fe2O3纳米晶体，探索材料的形成过程与生长机理，并对其光电催化特性进行了系统的研究。总结了纳米α-Fe2O3的形貌结构调控对其可见光催化增强机理的影响规律，从而实现其可见光催化性能的提高。 （1）以氯化铁为铁源，利用1,2-丙二胺作为结构导向剂合成出了直径为90±5 nm，长度为600±30 nm的α-Fe2O3纳米棒，1,2-丙二胺对反应初期氧化铁不同晶面的选择性吸附是α-Fe2O3纳米棒形成的主要原因。通过延长反应时间，Fe3+水解产生的氢离子能够腐蚀α-Fe2O3纳米棒的表面，导致α-Fe2O3纳米短棒的形成。受到蚀刻的α-Fe2O3纳米短棒具有粗糙的表面边缘，与典型α-Fe2O3纳米棒相比带隙宽度减小了0.19 eV，光电流响应提高了61.3％，可见光催化降解率提高了48.8％。 （2）以氯化铁为铁源，在硫酸根离子的协助下成功合成出直径为 146 ±8 nm，轴向长度为120±10 nm的单晶α-Fe2O3二十四面体。采用磷酸根离子作为蚀刻剂沿其[006]方向进行刻蚀可合成形貌尺寸均匀的单晶凹陷和中空 α-Fe2O3纳米晶体。与二十四面体相比，被蚀刻的凹陷和中空 α-Fe2O3纳米晶体具有更多的粗糙边缘结构，且比表面积（SSA）从10.31 m2g-1增加到12.71 m2g-1，因此在对阳离子染料罗丹明-B的降解实验中降解率分别提高了30.4％和15.9％。 （3）通过简单的水热法成功合成出平均粒径为5.5 nm，结构为截角六方双锥体的超细α-Fe2O3纳米颗粒，借助磷酸二氢根离子使其自组装成直径为160±13 nm，厚度为60±8 nm的纳米层状饼结构。基于三维组装结构的小尺寸带来的大比表面积，以及粗糙表面及松散曲折的边缘特征带来的更多的活性位点，纳米 α-Fe2O3层状饼相比超细 α-Fe2O3纳米颗粒以及单晶α-Fe2O3多面体，可见光催化降解效率分别提高了123.1％和75.1％。另外，多次循环降解实验表明，所制备的纳米α-Fe2O3具有良好的催化稳定性和可回收能力，这使其在催化剂和传感材料领域具有巨大的潜在应用价值。

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