Fe₂O₃/BiOBr复合光芬顿催化剂的制备及其RhB有机污染物处理机理

摘要

【目的】在世界工业化飞速发展的背景下，染料污水的肆意排放对生态环境与人类生活造成了严重威胁，因此，寻求一种高效、清洁、经济的污水处理方法已成为目前的研究热点之一。近年来，光芬顿催化技术在有机染料污水处理方面具有巨大优势。BiOBr是一种可见光响应性好、光稳定性强且具有层状结构的光催化剂，但其存在光生电子—空穴对易复合的问题。Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeOOH和纳米零价铁等单金属铁在芬顿催化活性方面具有优异性能，且其在光引入后的光芬顿催化活性优势也得到了认可。【方法】将BiOBr与芬顿催化活性良好的铁基氧化物耦合或对其进行改性将有效提高有机污水的处理效率。为进一步提高光芬顿催化技术处理水中有机污染物的效率，采用沉淀法结合煅烧法制备了具有Z型异质结的Fe₂O₃/BiOBr复合光芬顿催化剂。利用XRD、SEM和TEM对复合催化剂进行表征，同时以罗丹明B（RhB）为有机污染物模型，研究了复合催化剂的光芬顿催化活性及其作用机制。【结果】Fe₂O₃/BiOBr复合光芬顿催化剂均具有比单体催化剂更优异的光芬顿催化活性，其中1.2%Fe₂O₃/BiOBr具有最高光芬顿催化活性（99.59%,60 min）,分别约为纯Fe₂O₃和BiOBr的24.8倍和3.6倍。电化学测试及自由基捕获实验结果表明，Fe₂O₃/BiOBr复合催化剂中的电子由BiOBr导带流向Fe₂O₃价带，实现了光生电子—空穴对的高效分离并促进了Fe²⁺的再生，从而提高了复合催化剂的光芬顿催化效率。【结论】1.2%Fe₂O₃/BiOBr复合催化剂在5次循环催化降解实验中均可实现对有机污染物的完全降解且催化降解效率并未下降，证明了此复合催化剂具有良好催化活性和催化稳定性，因而有望作为光芬顿催化剂应用于绿色、经济、高效的工业化污水处理过程中。

关键词

光芬顿催化 / 复合催化剂 / 溴氧化铋 / 三氧化二铁 / RhB降解 / 异质结 / 界面效应 / 降解机理

基金资助

辽宁省应用基础研究计划项目(2023JH2/101300011); 辽宁省教育厅基础科研项目(LJKZZ20220024)