本技术介绍了一种性能卓越的BaTiO3@Fe3O4复合催化剂,该材料不仅具有出色的催化效率,而且可回收利用。详细介绍了其制备过程,以及在不同领域的应用实例,展示了其在环保和工业催化中的重要价值。
背景技术
全球许多地区都面临着水污染的挑战,包括河流、湖泊、地下水以及海洋等。工业废水、农业排放、生活污水等都对水体造成了严重的污染。许多工厂在生产过程中会产生大量的废水,这些废水中往往含有各种各样的有机物等有害物质,如果不经过处理直接排放,会对水体造成严重的污染。污染会导致水生生物的死亡和生态系统的破坏进而导致生物多样性的减少。
钛酸钡作为一种压电半导体材料,具有优异的压电性能。在水处理过程中,当受到水流、振动或超声波等机械力的作用时,钛酸钡内部会产生极化电荷,进而形成电场。这个电场能够加速材料表面的化学反应,提高催化效率。实现对水中污染物的快速降解,特别是对难降解有机污染物的去除效果显著。钛酸钡在光照条件下能够吸收光能并产生光生电子和空穴对,这些光生载流子具有高度的反应活性,能够引发一系列氧化还原反应。光催化作用能够降解水中的有机污染物等,提高水质的净化效果。芬顿反应是一种高效的氧化工艺,能够催化产生具有极强氧化性的羟基自由基(·OH),从而有效氧化降解污染物。这种反应通常涉及含铁物质(如四氧化三铁)作为催化剂,与过氧化氢(H2
O2
)共同作用,产生羟基自由基来降解有机物。
发明专利CN113441145A介绍了一种钛酸钡/羟基氧化铁光催化剂的制备方法,该方法采用H2
Ti2
O5
、BaTiO3
、FeCl3
·6H2
O、NH4
HCO3
等原料制备获得BaTiO3
/FeOOH异质结光催化剂。该催化剂在模拟太阳光下,并且通过加入H2
O2
降解有机染料罗丹明B的降解速率仅为0.23min-1
。对比本发明该专利1)需要额外加入H2
O2
,在实际生产应用中成本较高且降解速率较低,2)该专利介绍的制备方法需要先制备H2
Ti2
O5
溶液,再制备BaTiO3
粉体,最后合成BaTiO3
/FeOOH。对比本发明专利仅需要制备BaTiO3
粉体再合成BaTiO3
@Fe3
O4
两步,大大缩短了制备流程、制备时间和制备成本。
发明专利CN117942997A介绍了一种BaTiO3
/GDY/Au压电增强光催化剂的制备方法及其应用。该发明在制备中需要用到 HAuCl4
·3H2
O原料,价格昂贵且制备工艺复杂。
Wang等人通过溶胶-凝胶法合成的BaTiO3
/ZnO异质结催化剂,在这项研究中,亚甲基蓝 (MB) 染料的氧化分解被用作模型反应。当BaTiO3
:ZnO比为1:1时,在催化降解40 min后观察到100% MB的降解率(Wang Y , Liu L , Zhao W ,et al.Spontaneouspolarisationof ferroelectric BaTiO3
/ZnO heterostructures with enhancedperformance in a Fenton-like catalytic reaction[J].Ceramics International,2022, 48(2):2726-2735.DOI:10.1016/j.ceramint.2021.10.059.)。
Fu等人利用水热合成的单晶BaTiO3
纳米粒子,通过溶胶-凝胶辅助静电纺丝和退火法制备BaTiO3
@TiO2
纳米纤维。在超声波和紫外线照射的协同压电光催化下BaTiO3
@TiO2
纳米纤维对甲基橙(MO)的压电光催化降解速率常数(k)达到0.1484min-1
。(Fu B, Li J,Jiang H, et al. Enhanced piezotronics bysingle-crystalline ferroelectrics foruniformly strengthening the piezo-photocatalysis of electrospun BaTiO3
@TiO2
nanofibers[J]. Nanoscale, 2022, 14(38): 14073-14081.)。
Mushtaq等人通过水热法制备CoFe2
O4
,再通过溶胶-凝胶技术形成BFO壳制得CFO@BFO核壳结构,利用紫外-可见光、超声波和磁场的能量来成功降解RhB污染物,在1 h内对RhB染料的降解率为99%(Mushtaq F,Chen X, Torlakcik H, et al. Enhanced catalyticdegradation of organic pollutants by multi-stimuli activated multiferroicnanoarchitectures[J]. Nano Research, 2020, 13: 2183-2191.)。
张森等人在卡马西平(CBZ)溶液中加入钛酸钡粉末和硫酸亚铁溶液,利用压电-芬顿效应降解卡马西平,在经90min后降解率达99%,一级反应速率常数为0.02598min-1
。(张森.低频超声驱动BaTiO3
压电-芬顿体系降解水中卡马西平[J].净水技术,2020,(7):130-138。)该研究缺点在于起压电催化的钛酸钡和起芬顿效应的二价铁离子并未起到协同作用,且降解速率较低。与本发明相比,本发明在钛酸钡和四氧化三铁中构建异质结,在催化过程中压电光催化和芬顿效应能起到很好的协同作用,使催化反应速率大大提高。
实现思路