凹凸棒/稀土氧化物固溶体纳米复合材料的可控液相组装及其协同催化氧化性能研究

本项目以具有特殊晶体形态与优良吸附性能的凹凸棒石为基体，采用可控液相组装方法，制备固载良好、分散均匀的凹凸棒/稀土氧化物非均相催化材料，实现表面氧化铈基稀土元素掺杂下的固溶复合以提高晶格氧空位传导能力，通过调控液相反应体系，探寻优化的组装工艺及制备条件，以各种表征技术手段研究氧化物种在载体表面的相组成、粒径与化学形态，并在常温常压下与臭氧作为氧化剂对有机废水催化氧化降解，研究复合材料的微结构、单分散层分布、固溶状态对有机物去除率的影响，揭示凹凸棒与表面氧化物组分的交互协同效应，阐明其对催化体系中羟基自由基释放的规律与机理，为该新型纳米复合材料在有机污水治理中的应用提供理论基础和试验依据，成果对促进我国凹土与稀土资源的高端开发应用具有重要的借鉴意义。

本项目在国家自然科学基金(51002016)的资助下，开展了凹凸棒土/稀土氧化物复合催化材料的相关基础与应用研究，取得几方面的成果.采用均匀沉淀法和水热法分别制备出了颗粒高度分散、良好固载的凹凸棒(ATP)/CeO2复合材料，通过调变负载量、反应与煅烧温度，获得了优化的工艺参数，发现该复合材料展现了对CO良好的低温氧化效果。进一步制备获得了活性组分掺杂下的ATP/Ce1-xZrxO2，ATP/Ce1-xLaxO2固溶体材料，并对苯酚与亚甲基蓝模拟废水进行了催化氧化实验，研究结果表明：过渡族与镧系元素的掺入有效增加了CeO2中的氧空位，提升了复合材料的催化氧化能力，进而大幅提高了其COD去除能力。采用溶胶-凝胶法制备Ce1-xTixO2/ATP纳米复合固溶体材料。研究了材料的溶胶凝胶法合成机理，以O3为氧化剂考察了铈钛摩尔比对所制备样品催化降解罗丹明B溶液性能的影响，并从动力学角度分析Ce1-xTixO2/凹凸棒石对有机染料废水的反应机理。结果表明，适量的Ti4+掺杂能促进CeO2产生较多的结构和电子缺陷，有利于增加晶格氧空位的浓度，改善CeO2的低温还原能力，提高样品的催化活性。 基于简单一步合成法，以稀土乙酸盐为原料探索制备了ATP负载介晶Ce1-xMnxO2新型复合材料，研究了Mn的掺杂对界面介晶结构组装的影响机制，由于乙酸根官能团吸附在了{200}表面使其生长得到了抑制，并由于偶极矩的作用使得其沿着凹凸棒表面定向组装。适量Mn的掺入有效增加了CeO2中的氧空位，以及晶粒间共格界面的扭曲与缺陷，提升了复合材料的催化氧化能力。探索采用微波化学法制备出了凹凸棒石/稀土氧化物纳米复合材料，通过调变微波功率、反应时间及温度等得到优化的工艺参数来控制复合材料的形貌和颗粒分布状态，取得了对亚甲基蓝废水催化氧化降解较好的效果，开辟了该类复合材料合成的新思路。