多级孔铁氮掺杂生物炭催化剂的制备及性能

在水稻秸秆基铁氮掺杂生物炭粉末催化剂的基础上,制备了多级孔铁氮掺杂生物炭成型固体催化剂,探讨了其成型工艺,对其进行了表征,并对其活化过硫酸盐降解有机污染物的性能进行了评价,为铁氮掺杂生物炭催化剂的工业放大提供参考。该方法制备的成型球体催化剂具有良好的力学性能、丰富的多级孔结构、极低的铁离子浸出,可在宽pH范围内有效去除实际废水COD以及三氯苯酚(TCP)、双酚A(BPA)等有机污染物,可通过浸渍和热处理再生。吸附60 min、降解100 min后,COD、TCP、BPA的去除率分别可达46.85%、63.62%、90.18%。Fe^(2+)、Fe^(0)能够活化过硫酸盐产生·OH、SO_(4)^(-)·、·O_(2)^(-)和^(1)O_(2)降解有机污染物,Fe—N、C=O、O=C—OH和π→π^(*)位点作为电子供体,氧化态N作为电子受体。

一步合成铁氮掺杂碳纳米粒子及其可见光催化

使用柠檬酸、草酸铵作为碳源物质,三氯化铁为铁源,直接热分解法一步合成铁氮掺杂碳纳米粒子。所得的铁氮掺杂碳纳米粒子溶液在365 nm的紫外辐射下发射蓝色荧光。对铁氮掺杂碳纳米粒子进行了XRD、TEM、FTIR、FL、XPS表征。合成的铁氮掺杂碳纳米粒子分散均匀,直径大约3-5 nm。荧光光谱表明：粒子荧光性能优良,发射光谱依赖激发波长变化,具有多色性。此外,合成的掺杂碳纳米粒子溶液在长波长的可见光和红外光激发下有较好的荧光辐射,具有上转换功能。将其应用于可见光光降解亚甲基蓝MB,在MB起始浓度为20 mg·L-1,不使用氧化剂时,15 h可以使褪色率达到90%;使用过氧化氢为氧化剂,15min可以达到97%,其光催化性能优良。对其氧化还原反应机理进行了电化学评估,评估结果与理论吻合。

铁氮掺杂活性炭载体增强碳载铂基催化剂氧还原反应稳定性

修饰和改良载体是改善质子交换膜燃料电池阴极铂基催化剂性能的主要途径。以铁氮(FeN)掺杂活性炭(Black Pearl 2000,BP)为载体,获得负载型铂基催化剂。使用电化学方法对催化剂的氧还原反应活性以及稳定性进行测试,采用X射线衍射仪、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜、X射线光电子能谱等分析手段对载体及催化剂结构进行表征。结果表明:Pt/FeN-BP催化剂与商业Pt/C催化剂的起始电位均为0.94 V,具有相当的氧还原反应初始活性;老化测试后,Pt/FeN-BP催化剂与商业Pt/C催化剂的起始电位损失分别约为10,30 mV,半波电位损失分别约为5,60 mV,Pt/FeN-BP催化剂的稳定性明显优于商业Pt/C催化剂。这是因为,铁氮掺杂碳载体具有适中的比表面积和孔径大小,Pt颗粒在载体上以小粒径的状态存在且老化测试后Pt颗粒无团聚现象,以及载体与Pt颗粒之间可能存在一定的相互作用。

铁氮掺杂生物质/聚苯胺衍碳氧还原催化剂研究

研究高性价比的非贵金属氧还原反应(ORR)催化剂对清洁能源的大规模开发有重要意义,本研究以聚苯胺(PANI)和生物质废弃物豆渣共同作为碳/氮前驱体材料,g-C_(3)N_(4)为辅助氮源和致孔剂,氯化铁作为氧化剂和铁源制备得到了一种具有多孔结构的铁氮共掺杂生物质/聚苯胺衍碳材料(Fe-N-C_(B)/C_(PANI)).系统考察了氯化铁用量对催化剂样品结构及ORR催化性能的影响,优化后的催化剂样品Fe-N-C_(B)/C_(PANI)-2对ORR具有良好的催化活性,其起始电势相对商业催化剂Pt/C正移50 m V,抗甲醇性能和稳定性明显优于Pt/C.

壳聚糖/硝酸铁凝胶制备铁氮掺杂多孔碳片作为高效氧还原电催化剂的研究

以壳聚糖/硝酸铁凝胶为前躯体,实现了含氮高分子与金属盐的均匀混合,将凝胶冷冻干燥处理后,经过热处理和酸刻蚀得到了成分及微结构更加均匀的铁氮掺杂多孔碳片.铁氮掺杂多孔碳片与商业铂碳相比,具有更高的起始电位,半波电位和优秀的循环性能,在碱性燃料电池的测试中实现了更高的功率密度.铁氮掺杂多孔碳片出色的氧还原电催化性能归因于铁在壳聚糖中的原子级分散所导致的均匀分布的铁氮碳催化活性位,大的比表面积和均匀的孔道分布.

一步法制备铁氮掺杂碳点荧光探针用于测定丙酮酸

以邻苯二甲酸为前体,三乙烯二胺为氮源,氯化血红素为铁源,采用一步微波法制备了荧光量子产率约20.8%的新型铁氮掺杂碳点(Fe,N@CDs),并对其形貌、组成及发光性能进行了研究。Fe,N@CDs在425 nm激发波长下能够发射出500 nm的绿色荧光。基于Fe,N@CDs的荧光猝灭作用,建立了对丙酮酸定量测定的方法。在50~350μmol/L范围内,Fe,N@CDs的荧光猝灭程度与丙酮酸浓度呈良好的线性关系,相关系数R2=0.998,检出限(LOD)为16.7μmol/L。该方法成功应用于胎牛血清蛋白中丙酮酸含量的检测,回收率范围为99.3%~103.4%。

铁氮共掺杂生物炭活化H_(2)O_(2)去除对硝基苯酚的研究

以自然界中广泛存在且廉价易得的松针作为生物炭的前驱体,采用高温热解法制备了铁掺杂生物炭(Fe-BC)和铁氮共掺杂生物炭(Fe-N1-BC、Fe-N2-BC和Fe-N3-BC),并将其用于活化H2O2去除水体中的对硝基苯酚(PNP)。考察了H2O2浓度、污染物质量浓度、材料投加质量浓度、初始pH以及温度等因素对PNP去除率的影响。结果表明,Fe-BC、Fe-N1-BC、Fe-N2-BC、Fe-N3-BC体系中·OH浓度为9.2、10.24、12.4、13.62μmol/L,PNP的去除率分别为45.36%、60%、75.98%和77.72%,体系的·OH浓度越高PNP的去除率也越高,Fe-N3-BC对PNP表现出最高的催化降解性能。对PNP去除的最佳影响因素为:H2O2浓度为0.15 mol/L、PNP质量浓度为10 mg/L、催化剂投加质量浓度为0.25 g/L、溶液初始pH=5.48和溶液温度为25℃。

铁氮共掺杂活性炭混合基质膜的制备及其水处理性能

传统膜分离过程存在选择性与渗透性的矛盾问题,无法有效去除尺寸小于膜孔的污染物。将铁氮共掺杂活性炭(FeNCs)填充入聚偏二氟乙烯(PVDF)基质中制得一种具有过硫酸氢盐(PMS)活化能力的混合基质膜(FeNCs@PVDF)。通过扫描电子显微镜、能谱分析、X射线衍射、拉曼等表征来测试膜的物理化学特性。以苯酚为目标污染物,考察了FeNCs@PVDF在PMS活化辅助下的水处理性能。结果表明,FeNCs@PVDF耦合PMS活化可以有效去除苯酚,且FeNCs填充度越高越有利于提高催化膜性能。FeNCs填充度为50%的FeNCs@PVDF对苯酚的去除率分别为单独PMS氧化以及单独膜分离的4.8和3.6倍。FeNCs@PVDF催化膜在较宽的pH范围(3~12)内均保持高性能。

铁氮掺杂碳纳米管/纤维复合物制备及其催化氧还原的效果

阴极催化剂是影响微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)性能的关键因素.通过研究制备成本低廉、氧还原反应(ORR)催化活性高的阴极催化剂来替代Pt/C对于实现MFC规模化应用具有重大意义.研究采用化学气相沉淀法,以三聚氰胺作为碳氮前驱物、以黑珍珠2000或乙炔炭黑作为碳源,外加醋酸亚铁作为铁前驱物,合成了两种铁氮掺杂碳纳米管/纤维复合物(FeNCB和FeNCC),作为MFC的阴极催化剂.通过循环伏安法和旋转圆盘-环电极分析FeNCB、FeNCC和Pt/C的ORR催化活性的差异,并用MFC验证其差异.结果表明,FeNCB性能与Pt/C相当,优于FeNCC,其催化路径是通过4电子途径催化氧还原反应;MFC-FeNCB性能略优于MFC-Pt/C,显著优于MFC-FeNCB有助于MFC的扩大化,其最大功率密度为1 212.8mW·m^(-2),开路电压为0.875 V,电池稳定电压为(0.500±0.025)V.用X射线衍射、X射线光电子光谱、拉曼光谱等进一步分析显示,复合物中碳纳米管管径的大小、铁氮掺杂的类型和含量以及氧含量是引起制备的复合物催化氧还原性能差异的原因所在.

铁、氮共掺杂二氧化钛的水热法合成及其光催化性能研究

为了研制分解汽车尾气路面TiO_2涂层,以钛酸丁酯为Ti源、硝酸铁为Fe源,尿素为N源,采用水热法合成了Fe-N共掺杂TiO_2((Fe,N)-TiO_2)纳米粉体。采用X射线衍射仪、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、紫外-可见光谱仪等对样品进行了表征。结果表明合成的(Fe,N)-TiO_2样品均为锐钛矿晶型,样品的平均粒径大小约为7.2nm。Fe、N共掺杂对TiO_2的晶体结构没有明显影响,Fe和N离子都已经进入TiO_2晶格。相对于纯TiO_2而言,随着Fe和N离子的掺入,(Fe,N)-TiO_2样品在可见光范围内吸光强度明显增强,光吸收带边发生红移。以可见光光催化降解亚甲基蓝(MB)研究了样品的光催化性能,(Fe,N)-TiO_2对MB的降解能力较纯TiO_2和N-TiO_2有明显提高,说明Fe和N离子共掺杂会产生协同效应,使(Fe,N)-TiO_2样品在可见光区域的光催化活性得到显著提高。

铁、氮共掺杂二氧化钛薄膜的亲水性能

采用溶胶-凝胶法制备了铁掺杂TiO2(Fe-TiO2)薄膜,将Fe-TiO2薄膜放置氨气气氛中高温处理,形成铁、氮共掺杂TiO2(Fe/N-TiO2)薄膜.通过XRD、XPS、SEM、UV-Vis法进行吸收光谱分析及薄膜表面亲水接触角分析,研究了铁、氮掺杂浓度,热处理温度,膜厚等因素对薄膜亲水性能的影响.结果表明,Fe/N-TiO2(0.5%Fe,摩尔百分数)显示出更佳的亲水性能,在可见光下优势尤为明显.铁掺杂主要作用是降低电子和空(的复合几率,氮掺杂可以增强TiO2薄膜在可见光区的吸收,两种效应相互结合,共同提高了薄膜在可见光下的亲水性能.

铁氮共掺杂制备TiO_2及其蓝光下的光催化性能

用硝酸铁和盐酸羟胺分别作Fe源和N源,在TiO2溶胶中同时引入Fe和N,一步合成得到Fe、N共掺杂的纳米TiO2粉末。用XRD等技术研究了焙烧温度和N源量对其晶相结构的影响,并用低功率蓝光LED作光源测试其光催化性能。结果表明,400℃焙烧的Fe、N共掺杂TiO2粉末具有最好的催化性能,2h内对若丹明B的降解率达68.0%。增加N源量,有利于Fe在TiO2晶格中扩散,减小晶粒度;Fe、N共掺杂对TiO2的催化性能具有协同作用,其催化能力明显优于单掺杂样品;降解机理可能与紫外光源有所不同。

弱酸性染料的铁氮共掺杂纳米TiO_2光催化降解

以硝酸铁为铁源、尿素为氮源、钛酸四丁酯为钛源,采用溶胶-凝胶法制备铁氮共掺杂纳米TiO2光催化剂(Fe—N—TiO2)。利用X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FT-IR)和紫外-可见吸收光谱仪(UV-Vis),表征分析所制备的Fe—N—TiO2光催化剂的晶体结构和光谱性质;以弱酸性红RN染料为目标降解物,研究测试其可见光催化性能。结果表明,所制备的Fe—N—TiO2光催化剂为锐钛矿相,平均粒径为17.1 nm;其吸收边带红移至528 nm,禁带宽度为2.35 eV。在300 W金卤灯照射下,光催化反应240 min,0.12 g Fe—N—TiO2光催化剂对100mL质量浓度为5mg/L、染液初始pH值为5的弱酸性红RN染料的降解率达97.28%。

铁氮共掺杂碳纤维基复合碳材料的制备及其氧还原反应催化性能研究

以聚丙烯腈(PAN)和石墨化氮化碳(g-C3N4)共同作为碳/氮前驱体材料,醋酸亚铁作为铁源,利用静电纺丝技术结合高温热解法制备了系列铁氮共掺杂的碳纤维基复合碳材料(Fe-N-CFC),研究了PAN和g-C3N4的质量配比对所制得的催化剂样品的形貌结构及其氧还原反应(ORR)催化性能的影响.优化组成的Fe-N-CFC-2材料对ORR的半波电势和极限电流分别为-0.04 V和4.32 mA·cm-2,与商业Pt/C催化剂活性接近,而其抗甲醇性能和ORR催化稳定性明显优于Pt/C,是一种有应用潜力的ORR催化剂.

铁氮掺杂对石墨烯担载铂催化剂氧还原反应活性的影响

高氧还原活性担载铂催化剂的研发是加快质子交换膜燃料电池商业化进程的主要手段之一。以石墨烯为碳源,1,10-菲啰啉为氮源,FeCl3为铁源,用浸渍法制备铁氮掺杂石墨烯(FeN-G)载体,并通过乙二醇还原法获得Pt/FeN-G催化剂,探究铁氮原子的引入对石墨烯担载铂催化剂氧还原反应(ORR)催化活性的影响。采用X射线衍射、比表面积和孔径分布测试、X射线光电子能谱等表征手段对载体及催化剂结构进行表征,使用电化学方法对载体和催化剂的ORR活性进行测试。结果表明,Pt/FeN-G催化剂的氧还原反应起始电位及半波电位分别为0.96V和0.83V,优于相同Pt担载量的商业20%Pt/C催化剂。改性石墨烯载体在热处理过程中获得更高的介孔含量,这更有利于ORR过程中生成物与反应物的传递,Pt/FeN-G催化剂中存在吡啶氮和Fe-N型氮与铂纳米颗粒的协同催化,以及铂纳米颗粒与铁氮掺杂石墨烯载体间的相互作用,是Pt/FeN-G催化剂具有优异的ORR催化活性的可能原因。

基于天然产物的新型铁氮共掺杂碳电催化剂的制备及氧还原性能

以廉价天然植物果实红枣作为唯一碳源,采用牺牲模板法制备了一种具有层状多孔结构的铁氮共掺杂碳材料(Fe-N-CM).采用X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、透射电子显微镜、氮气吸-脱附仪和拉曼光谱对Fe-N-CM样品的形貌和结构进行了表征,用旋转圆盘电极及环盘电极对Fe-N-CM催化剂的氧还原反应(ORR)性能进行了研究.结果表明,所制备的层状多孔Fe-N-CM材料比表面积达到429.8 m^2/g,铁颗粒在材料表面均匀分散,铁和氮的协同作用使Fe-N-CM具有良好的氧还原催化活性,其对氧还原反应的催化稳定性和抗甲醇性能优于商业Pt/C催化剂.

铁氮共掺杂生物炭催化过硫酸盐非均相深度处理造纸废水

本研究以麦草秸秆为原料,通过水合热解法制备铁氮共掺杂生物炭(Fe-NBC),将其作为催化剂应用于过硫酸盐非均相高级氧化反应体系,处理造纸废水二沉池出水。结果表明,Fe-NBC表面孔隙丰富,在热解过程中生成石墨C、Fe、Fe-N和Fe-C;同时生成吡啶N、石墨N和吡咯N等,能够高效催化过硫酸盐产生氧化自由基,有效降低废水生化出水的COD浓度。在过硫酸盐用量4 mmol/L及FeNBC用量0.4 g/L、催化降解120 min时,COD_(Cr)从(123±1) mg/L降至(58±1) mg/L,去除率为52%。FeNBC经4次处理回用后,催化活性变化不大,仍保持对COD较高的去除率。

铁-氮掺杂碳复合材料活化过硫酸盐降解双酚S

非均相铁基材料活化过硫酸盐(PS)是高级氧化工艺中高效活化过硫酸盐的重要手段,如何有效提高铁基催化剂的催化性能一直是研究重点。碳基材料因其丰富而稳定的多孔结构常被用于负载铁活性组分。以一种氨基修饰的铁基金属有机框架化合物NH_(2)-MIL-101(Fe)为模板,采用一步碳化法制备了铁-氮掺杂碳复合材料(Fe-CNs),通过X射线衍射、扫描电镜和透射电镜等表征手段对Fe-CNs的形貌特征和化学组成进行了分析,并进一步研究了Fe-CNs活化过硫酸盐降解双酚S(BPS)的性能。结果表明,在900℃下制备的Fe-CNs-900通过活化PS在70 min内可降解99.3%的BPS,Fe-CNs-900/PS体系具有良好的抵抗共存阴离子和腐殖酸(HA)影响的能力。自由基捕获实验和EPR分析表明,SO_(4)^(·-)、·OH、O_(2)^(·-)和^(1)O_(2)均存在于Fe-CNs-900/PS体系中,但SO_(4)^(·-)和^(1)O_(2)对BPS的降解起主要作用。

铁/氮共掺杂碳催化剂的制备及其电催化氧还原性能研究

以硫酸铁铵和硫酸铵为金属源和氮源、以活性炭为碳载体,采用高温热处理法合成了铁/氮共掺杂碳(Fe-N/C)催化剂。采用X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪表征催化剂的结构和组成,探究催化剂催化氧还原反应的活性位点。结果表明,Fe-吡啶氮-C结构是催化剂中最重要的催化活性位点。采用循环伏安法(CV)和线性扫描伏安法(LSV)研究了催化剂中氮含量对氧还原反应电催化活性的影响。结果表明催化剂Fe-N24.75/C-800催化活性最佳且峰电位达到0.91V(vs.RHE),接近Pt/C催化剂的活性,同时具有更好的甲醇耐受性,其催化氧还原反应的电子转移数为3.94。催化剂Fe-N24.75/C-800氧还原反应以4e转移、生成水的途径为主。

铁/钴氮氟掺杂二氧化钛膜的制备研究

通过溶胶-凝胶法制备Fe,N,F-TiO2膜和Co,N,F-TiO2膜的光催化剂,以亚甲基蓝为模型污染物,探讨了制备两种膜的最佳煅烧温度、镀膜层数和铁/钴掺杂量。结果表明,当煅烧温度400℃,镀膜层数4层,Fe/Ti=0.05%,Co/Ti=0.02%时,得到的Fe,N,F-TiO2膜和Co,N,F-TiO2膜的可见光催化活性最高。其中Fe,N,F-TiO2膜的光催化活性要略优于Co,N,F-TiO2膜。