磁分离型凹凸棒土-ZnFe2O4-BiOBr复合材料的制备及其光催化性能研究(2)

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具有高效催化活性的光催化材料的研究开发也成为目前国内外研究的热点。目前的工作主要集中在开发新型半导体光催化剂，BiOX[2]是一种新型的半导体材料，具有独特的电子结构、良好的光学性质和催化性能，可以很好地响应可见光,因而具有很高的催化活性，且随着卤素原子序数的增加光催化活性逐渐增强，因此 BiOX成为光催化剂研究的一个新方向。但由于负载的光催化材料BiOBr容易脱落，使光催化剂回收率很低。而磁性纳米催化剂是一类对外加磁场具有良好的磁响应性能的光催化纳米材料，它可以通过设置一个外加磁场实现催化剂的回收，进而完成再生、利用，为节约能源，降低成本提供保证。

铁酸锌是一种重要的软磁铁氧体材料，块体的铁酸锌材料呈现铁磁性[3]，但是当铁酸锌的尺寸达到纳米级时，其晶体结构发生改变，这导致纳米铁酸锌的磁性发生突变，呈现超顺磁性[4]，可以作为高频带理想的磁性吸附材料。同时，铁酸锌作为一种禁带宽度为 1.9 eV[5]的半导体，在波长大于 420 nm 的可见光照射下即可产生光生电子-空穴对，是一种对可见光利用率很高的半导体光催化剂。曹锋[6]等人研究了纳米 ZnFe2O4对酸性甲基橙的光催化降解效果，在高压汞灯光照 6 h 后脱色效率高达 95%。由于铁酸锌对可见光利用率高，且其光化学和化学性质稳定，在光催化应用领域有很好的前景。

由于纳米光催化剂颗粒小、比表面积低，如果能将光催化剂固定在高比表面的材料表面，能有效的防止纳米粒子团聚，明显增加其与污染物的接触面，提高光催化剂的吸附性能、光催化性能，克服悬浮相光催化剂的缺点。已有文献报道[7-11]，可以将光催化剂固定在有机物、无机物或天然矿物上，以增大催化剂的比表面，提高其催化性能。Fu[12]等人通过溶剂热法合成了含碳量为 15 %，20 %，25 %，30 %的ZnFe2O4/C复合纳米材料，将它们作为光催化剂，研究他们在可见光下对甲基蓝染料的降解效果。100 mL 的20 mg/L的甲基蓝溶液里加入分别加入不同的0.05 g的催化剂，在 H2O2存在的条件下，发现含碳量为20 %的催化剂具有最好的催化效果，5 min后甲基蓝被降解 88 %，90 min 后降解至 1%。但活性炭价格较高，而且在光降解过程中会吸收光，影响光催化剂的光降解性能。

凹凸棒石粘土（为方便表述，下文中均以凹土或ATT表述）是一种以凹凸棒石为主要成分的天然非金属粘土矿物，它的理想分子式为Mg5Si8O20(OH)2•4H2O。凹凸棒土有着良好的吸附性能、较大的比表面积和一定的离子交换能力，可以作为吸附剂对污染物进行转移去除，也可以作为催化剂的良好载体来提高催化剂的性能。我们课题组采用溶胶-凝胶工艺将一系列不同配比的TiO2-SnO2负载于凹凸粘土上，其光催化性能得到明显提高，发现当n SnO2/n TiO2=1/5时，复合光催化材料的性能最佳，90 min内对80 mg/L的苯酚降解率达99.8 ％，其COD由220.2 mg/L 降至 0.21 mg/L[13]；30 min内对20 mg/L甲基橙的降解率达99 ％，而且催化剂循环使用3次后仍然保持较好的性能[14]。

基于此，本论文以凹土为基体，采用水热方法，将ZnFe2O4均匀负载于凹土表面，制备高分散性凹土-ZnFe2O4。再以凹土-ZnFe2O4为基体，通过原位沉积方法将其与BiOBr复合，获得磁分离型凹土-ZnFe2O4-BiOBr高效可见光催化剂。借助XRD、SEM、BET、UV-Vis等测试手段，分析产物的物相组成、吸收光谱、能带结构、不同物相之间的作用力，解析凹土与活性组分之间的键合作用和影响机制，找出高效磁分离光催化剂的合成机理。以甲基橙染料污染物为探针，研究复合光催化剂的吸附、降解性能。