Fe3O4-CeO2/H2O2类Fenton体系催化氧化降解有机污染物的晶面与界面效应研究

Heterogeneously catalyzed Fenton processes have recently received much attention for water remediation. CeO2 is an attractive heterogeneous Fenton-like catalyst due to the wide pH range for application and high utilization efficiency of H2O2. However, the catalytic activity of CeO2, just as the other heterogeneous Fenton-like catalysts, should be increased. In this project, CeO2 nanocrystals with well-defined facets and their Fe3O4/CeO2 nanoscaled composite will be used as the Fenton-like catalysts for degradation of organic pollutants such as 4-chlorophenol, methyl Orange. The reducibility of ceria will be improved by adjusting the exposing facets. The facet-dependent effects of CeO2 nanocrystals and interfacial effects of Fe3O4-CeO2 nanoscaled composite on their catalytic performances for H2O2 decomposition and heterogeneous Fenton-like catalytic degradation of organic pollutants will be investigated. Based on the above studies, the nature and yield of intermediate active oxygen species during the catalytic H2O2 decomposition process will be assessed, and the mechanism for organic pollutants catalytic degradation will be established. Understanding the catalytic reaction pathway is crucial for understanding the catalytic chemistry of CeO2/H2O2 systems and also provides a better comprehension of designing and preparing highly active heterogeneous Fenton-like catalysts.

以固体材料为催化剂的非均相类Fenton催化体系是高级氧化技术领域的研究热点，其中CeO2/H2O2催化体系pH值适应范围宽、H2O2的利用率高，引起人们的密切关注。然而CeO2的催化活性尚有待提高,改善其氧化还原性能，尤其是其可还原性能是关键。在本项目中，我们将以暴露规整晶面的CeO2纳米晶及其与纳米Fe3O4的复合材料为类Fenton催化剂，以4-氯酚、甲基橙等有机污染物的氧化降解为模型反应，通过对CeO2纳米晶暴露晶面的调控来提高其可还原性；系统研究H2O2催化分解和有机污染物催化氧化降解反应中，CeO2的晶面效应以及Fe3O4-CeO2复合材料的界面效应，尝试揭示该体系中间活性氧物种的本质、产生规律以及有机污染物的催化氧化降解机理。这些问题的探索，不仅有助于加深对CeO2/H2O2体系催化化学的认识，同时也可为实用类Fenton催化材料的设计合成提供理论支持。

以固体材料为催化剂的非均相类Fenton催化体系是高级氧化技术领域的研究热点，其中CeO2/H2O2催化体系pH值适应范围宽、H2O2的利用率高，引起人们的密切关注。然而CeO2的催化活性尚有待提高，其催化机理有待于进一步研究。本项目以暴露规整晶面的CeO2纳米晶及其与纳米Fe3O4、纳米CuO的复合材料为类Fenton催化剂，系统研究了H2O2催化分解和有机污染物催化氧化降解反应中，CeO2的晶面效应以及复合材料的协同作用，揭示了催化体系氧化物种的本质和产生规律。.本项目首先证实了CeO2纳米棒具有pH依赖的强氧化性，能够直接氧化ABTS和甲基橙，这种氧化性来源于体系中存在的·OH和CeO2表面的Ce4+。揭示了OH·的产生途径。高浓度溶解氧有利于CeO2纳米棒/H2O体系中O2-·和OH·的再生。 .研究表明CeO2 纳米粒子具有形貌和pH依赖的类Fenton催化活性。纳米棒的催化活性最高，其次是纳米立方块的，最低的是纳米八面体，这与它们的暴露晶面和表面Ce3+含量的差异有关。CeO2纳米粒子/H2O2体系中存在两种氧化物种HO∙和表面过氧物种，在酸性条件下，HO·对有机污染物的降解起着决定性作用，在中性和弱碱性条件下，HO·和表面过氧物种协同作用。.在类Fenton催化体系中，反应底物在催化剂表面的吸附行为也对底物的降解起着非常重要的作用。在pH 9.0 时MB和CR均可在CeO2 纳米粒子/H2O2体系中发生吸附降解。MB在CeO2 纳米粒子表面的吸附是通过静电作用引起的弱吸附，CR则是通过路易斯酸碱作用吸附在CeO2表面。根据两种不同的有机物吸附行为提出了两种不同的有机物氧化降解过程。.Fe3O4 纳米粒子的形貌、尺寸和体系pH值对其类Fenton催化活性具有显著影响。八面体Fe3O4的稳定性优于球形Fe3O4 纳米粒子。CeO2-Fe3O4 复合材料的协同作用取决于CeO2 纳米粒子的形貌和氧化能力。.将CuO 纳米粒子与CeO2 纳米粒子简单混合，即可获得良好的协同作用，二者的协同作用取决于CeO2纳米粒子的氧化能力及体系的酸碱度。.这些问题的探索，不仅有助于加深对CeO2氧化性本质和CeO2/H2O2体系催化化学的认识，同时也可为实用类Fenton催化材料的设计合成提供理论支持。