引用本文
白瑞, 刘汪源, 高雯雯, 卢翠英, 慕苗, 刘浩, 弓莹. 活性炭负载三氧化二铁催化剂的合成及表征[J]. 工业催化, 2021,29(8): 31-34.
Bai Rui, Liu Wangyuan, Gao Wenwen, Lu Cuiying, Mu Miao, Liu Hao, Gong Ying. Synthesis and characterization of activated carbon supported Fe2O3 catalyst [J]. Industrial Catalysis, 2021,29(8): 31-34.  
DOI:10.3969/j.issn.1008-1143.2021.08.006
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活性炭负载三氧化二铁催化剂的合成及表征
白瑞1,2,*, 刘汪源1, 高雯雯1, 卢翠英1,2, 慕苗1,2, 刘浩1,2, 弓莹1,2
1.榆林学院化学与化工学院,陕西 榆林 719000
2.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室,陕西 榆林 719000
通讯联系人:白 瑞。E-mail:945867465@qq.com

作者简介:白 瑞,1988年生,女,陕西省榆林市人,硕士,讲师,主要研究方向为碳材料的制备及性能研究。

收稿日期: 2020-11-11 修回日期: 2021-06-30
基金资助: 陕西省榆林市科技局项目(CXY-2020-006-06); 陕西省科技厅项目(2019SF-273); 国家自然科学基金(No.52062047、No.21763029); 陕西省教育厅重点科学研究计划(重点实验室)(20JS162,21JS046)
摘要

以预处理后的活性炭(AC)为原料,三氧化二铁(Fe2O3)为活性组分,借助浸渍煅烧法制备活性炭负载三氧化二铁(AC@Fe2O3)催化剂。采用傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)等手段对样品进行表征研究。结果表明,AC上成功负载了活性组分Fe2O3,AC@Fe2O3 可显著提高苯酚催化降解效率,去除率高达87.6%。

关键词: 催化化学; 活性炭; Fe2O3; AC@Fe2O3催化剂; 合成; 表征
中图分类号:O643.36;TQ426.6    文献标志码:A    文章编号:1008-1143(2021)08-0031-04
Synthesis and characterization of activated carbon supported Fe2O3 catalyst
Bai Rui1,2,*, Liu Wangyuan1, Gao Wenwen1, Lu Cuiying1,2, Mu Miao1,2, Liu Hao1,2, Gong Ying1,2
1. School of Chemistry and Chemical Engineering,Yulin University,Yulin 719000,Shaanxi,China
2. Shaanxi Key Laboratory of Low Matamorphic Coal Clean Utilization,Yulin 719000,Shaanxi,China
Abstract

Using pretreated activated carbon(AC) as raw material and Fe2O3 as the active component, the activated carbon supported Fe2O3(AC@Fe2O3)catalyst was prepared by means of impregnation and roasting methods.The samples were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR),X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM) and energy spectrometer (EDS).The results showed that Fe2O3 was successfully loaded on AC,AC@Fe2O3 could improve the efficiency of phenol degradation significantly up to 87.6%.

Keyword: catalytic chemistry; activated carbon; Fe2O3; AC@Fe2O3catalyst; synthesis; characterization

催化湿式过氧化氢法是一种高效处理高浓度、难生物降解的有机废水的工业技术[1]。催化湿式过氧化氢法是以过氧化氢为氧化剂, 在高效催化剂作用下, 能在常温常压下将有机污染物及氨分别氧化分解成CO2、H2O以及N2等无害物质的一种技术[2]。稳定、高效的催化剂是催化湿式过氧化氢法的关键。催化剂根据其反应状态不同可分为均相催化剂和非均相催化剂[3]。其中, 非均相催化剂具有易分离、稳定性好、可再生重复使用和易于回收等优点, 在有机废水处理中具有广泛的应用。

活性炭由于具有大的比表面积、强的吸附能力和高的机械强度, 可以提供较多的活性位点、较快的反应速率以及较好的回收再利用能力, 因而作为制备非均相催化剂优选的载体材料[4, 5, 6]。研究发现, 活性炭表面负载一定的金属或金属氧化物可以增加活性炭表面的活性位点, 进而显著提高其催化性能, 因此活性炭负载金属、金属氧化物在催化领域一直是研究的热点[7]。

本文利用预处理后的活性炭为载体, 金属氧化物三氧化二铁为活性组分, 借助浸渍煅烧法制备AC@Fe2O3催化剂, 通过傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)等分析手段对其进行表征, 并研究对苯酚的催化降解行为。

1 实验部分
1.1 药品与设备

活性炭, 北京百灵威科技有限公司; 盐酸, 广州化学试剂厂; 氢氧化钠, 天津市登丰化学品有限公司; 硝酸铁, 天津永晟精细化工有限公司; 以上试剂均为分析纯, 去离子水为实验室自制。

真空抽滤器, SHB-3, 郑州长城科工贸有限公司; 数显集热式磁力搅拌器, DF-Ⅱ , 重庆吉祥教学实验设备有限公司; 真空干燥箱, DZF, 北京科伟永兴仪表有限公司; 管式炉, OTF-1200X-S, 合肥科晶材料技术有限公司; 场发射扫描电子显微镜, SIGMA 300, 德国卡尔蔡司公司; 傅立叶红外光谱仪, IR Prestige-21, 日本岛津公司; X射线衍射仪, XRD-6000, 日本岛津公司。

1.2 制备方法

先取一定量的活性炭在0.5 mol·L-1的氢氧化钠溶液中浸泡24 h, 抽滤、反复洗涤至中性, 然后在1 mol·L-1的盐酸溶液中继续浸泡24 h, 继续洗涤至中性, 抽滤, 在真空干燥箱中于70 ℃干燥3 h。然后将预处理后的活性炭浸渍于0.11 mol·L-1的Fe(NO3)3溶液中, 浸渍温度30 ℃, 浸渍时间为24 h, 过滤, 将其置于真空干燥箱中在105 ℃干燥12 h。然后再转移至氮气气氛保护的管式炉, 于400 ℃焙烧4 h, 即获得AC@Fe2O3催化剂, 自然冷却、待用。

2 结果与讨论
2.1 SEM

预处理后的活性炭(AC)及活性炭负载三氧化二铁(AC@Fe2O3)催化剂的SEM照片见图1。

图1 AC及AC@Fe2O3催化剂的SEM照片Figure 1 SEM images of AC and AC@Fe2O3 catalyst

从图1可以看出, 经过氢氧化钠和盐酸处理后的AC表面干净、孔隙清晰, 具有发达的孔隙结构, 存在着许多凹穴和凸起, 这种结构使其表面积增大, 吸附作用增强, 有利于催化剂的负载。观察负载后的AC@Fe2O3催化剂形貌发现, 负载后活性炭表面变得粗糙, 孔隙明显变小, 活性组分Fe2O3以颗粒形式均匀分布, 附着于活性炭表面。

2.2 EDS

为了进一步说明AC@Fe2O3催化剂的负载情况, 本文还对负载前后的AC和AC@Fe2O3催化剂分别做了能谱分析和元素分析, 如图2和表1、表2所示。结合图2和表1、表2可知, 负载前的AC所含元素为碳和氧, 其中碳原子占比80.75%, 氧原子19.25%, 分析原因一是活性碳经酸和碱处理后表面存在一些含氧官能团; 二是空气中氧原子吸附在活性炭表面。而负载后AC@Fe2O3催化剂组成成分中除了依旧含有大量的碳元素和少量的氧元素外, 还含有一定的铁元素, 且是以氧化物的形式存在, 说明活性物质Fe2O3已负载于活性炭上。

图2 AC(上)及AC@Fe2O3催化剂(下)的EDS谱图Figure 2 EDS spectra of AC(up) and AC@Fe2O3catalyst(down)

表1 负载前AC元素分析表 Table 1 Element analysis of AC
表2 负载后AC@Fe2O3催化剂元素分析表 Table 2 Element analysis of AC@Fe2O3catalyst
2.3 FT-IR

AC及AC@Fe2O3催化剂的FT-IR谱图如图3所示。观察图3可以发现, 活性炭在3 400 cm-1处出现的是(-OH)伸缩振动峰, 在2 920 cm-1和2 835 cm-1处出现的(-C-H)对称和非对称伸缩振动峰, 在1 550 cm-1处出现的是(C=O)伸缩振动峰, 在1 100 cm-1处出现的是(C-O)伸缩振动峰, 在630 cm-1处出现的是(≡ C-H)弯曲振动峰。Fe2O3的红外特征峰主要在600 cm-1、1 500 cm-1、3 000 cm-1处, 与本实验基本吻合, 因此, 可以确定Fe2O3已负载在活性炭上。

图3 AC及AC@Fe2O3催化剂的FT-IR谱图Figure 3 FT-IR spectra of AC and AC@Fe2O3 catalyst

2.4 XRD

AC@Fe2O3的XRD图见图4。由图4可以看出, AC@Fe2O3催化剂的XRD图在22.8°和44.8°出现两个活性炭的衍射峰, 而在31.24°、35.63°、43.28°、57.27°、62.19°出现的衍射峰, 与Fe2O3的PDF标准卡片对照发现吻合[8], 说明Fe2O3成功负载于活性碳上面。

图4 AC@Fe2O3催化剂的XRD图Figure 4 XRD pattern of AC@Fe2O3 catalyst

2.5 催化性能研究

以苯酚为研究体系, 研究AC和AC@Fe2O3催化剂对苯酚的催化降解性能, 结果如图5所示。图5中AC@Fe2O3催化剂的催化效率明显高于AC, 苯酚去除率高达87.6%。分析原因认为, 活性炭在讲解过程中仅仅是吸附作用, 而AC@Fe2O3催化剂催化效率高是因为降解过程是吸附和催化二者协同作用的结果。活性炭将苯酚有机污染物质吸附在其表面, 提高了Fe2O3的催化性能。

图5 AC@Fe2O3催化剂催化降解苯酚效果Figure 5 Catalytic degradation of phenol over AC@Fe2O3 catalyst

3 结论

以活性炭为载体, 三氧化二铁为活性组分, 通过浸渍煅烧法可成功制备活性组分分布均匀的AC@Fe2O3复合催化剂, 且AC@Fe2O3催化剂对苯酚的催化降解效果良好, 最高去除率高达87.6%。

参考文献
[1] 袁松. 催化湿式氧化催化剂处理有机废水研究进展[J]. 当代化工研究, 2020, (7): 124-125.
Yuan Song. Research progress in treatment of organic wastewater by catalytic wet oxidation catalysts[J]. Modern Chemical Research, 2020, (7): 124-125. [本文引用:1]
[2] 陈丽萍. 湿式催化过氧化氢氧化处理含酚废水的研究[A]. 中国环境科学学会. 2019中国环境科学学会科学技术年会论文集(第四卷)[C]. 中国环境科学学会: 中国环境科学学会, 2019. [本文引用:1]
[3] 何帅明. 有机废水降解的催化剂的合成及其催化反应机理研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2019. [本文引用:1]
[4] 任燕飞, 付进南, 赵双, 等. 多金属氧化物催化臭氧氧化处理苯酚废水的研究[J]. 中国给水排水, 2019, 35(7): 86-90.
Ren Yanfei, Fu Jinnan, Zhao Shuang, et al. Catalyic ozonation of phenol wastewater by polymetallic oxides[J]. China Water & Wastewater, 2019, 35(7): 86-90. [本文引用:1]
[5] 党中煦. 活性炭负载金属氧化物催化臭氧降解木素衍生物的研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2019. [本文引用:1]
[6] 熊威. 活性炭及其负载铁锰催化臭氧氧化苯酚的研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2019. [本文引用:1]
[7] Yang G, Dong J W, Xing B, et al. Ni, Fe, and N-tridoped activated carbon as a highly active heterogeneous persulfate catalyst toward the degradation of organic pollutant in wate[J]. Separation and Purification Technology, 2020, 252: 2020: 1-10. [本文引用:1]
[8] Wu J, Gao H, Yao S, et al. Degradation of crystal violet by catalytic ozonation using Fe/activated carbon catalyst[J]. Separation and Purification Technology, 2015, 147(6): 179-185. [本文引用:1]