CaFe<sub>2</sub>O<sub>4</sub>基复合光催化剂的制备及性能研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0483

摘要/Abstract

摘要：

采用一步水热法合成了CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃三元复合光催化剂。样品中仅含有CaFe₂O₄、CaSO₄和Fe₂O₃，无其他杂质存在。CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃三元复合光催化剂呈花状，主要由一些细颗粒黏连而成。结果表明，Fe₂O₃、CaFe₂O₄、CaSO₄和CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃三元复合光催化剂的带隙能（E _g）分别为1.83、1.85、3.69/4.29、 1.35/2.64 eV； CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃具有较强的紫外可见光吸收能力、较强的电荷转移能力及较高的分离效率，是一种潜在的紫外可见光催化剂。光催化对比实验表明，CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃三元复合光催化剂在降解甲基橙有机染料方面具有较强的紫外可见光催化活性。循环降解实验表明，CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃三元复合光催化剂具有高的稳定性。在光催化降解过程中，空穴、羟基自由基和超氧自由基的协同作用使该催化剂具有高的光催化活性。

关键词: 水热法, 光催化剂, 光吸收能力, 甲基橙, 羟基自由基

Abstract:

CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃ ternary composite photocatalyst was synthesized by one⁃step hydrothermal method. The sample only contained CaFe₂O₄，CaSO₄ and Fe₂O₃，without other impurities. CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃ ternary composite photocatalyst was flower⁃like，mainly composed of some fine particles bonding together. The band gap（E _g） of Fe₂O₃，CaFe₂O₄，CaSO₄，and ternary composite CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃ photocatalyst were 1.83，1.85，3.69/4.29 and 1.35/2.64 eV，respectively. Compare with Fe₂O₃，CaFe₂O₄and CaSO₄，the ternary composite CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃ photocatalyst had strong absorption capacity of UV-visible light，strong charge transfer ability and high separation efficiency，and was a potential UV-visible photocatalyst. The comparative study of photocatalytic experiment showed that ternary composite CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃ photocatalyst had strong UV-visible photocatalytic activity in the degradation of methyl orange organic dyes. Cyclic degradation experiments showed that CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃ ternary composite photocatalyst had high stability. In the photocatalytic degradation process，the synergistic effects of hole，hydroxyl radical and superoxide radical made the ternary composite CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃ photocatalyst had high photocatalytic activity.

Key words: hydrothermal method, photocatalyst, light absorption capacity, methyl orange, hydroxyl radical

中图分类号:

O643.36
X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I2/104

图/表 10

图1 光催化剂XRD

Fig. 1 XRD of photocatalysts

图 2 CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃的SEM（a）和HRTEM（b）

Fig. 2 SEM（a）and HRTEM（b）of CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃

图3 紫外可见吸收谱（a）和（αhν）²-hν的关系曲线（b~c）

Fig. 3 UV-Vis absorption spectrum（a）and the relation curve of （αhν）²-hν（b~c）

图4 阻抗谱（a）和光电流密度（b）

Fig. 4 Impedance spectroscopy（a）and photocurrent density（b）

图5 紫外光照射下的光催化降解曲线（a）和一级动力学曲线（b）

Fig. 5 Photocatalytic degradation curves（a）and first⁃order kinetics curves（b）under UV irradiation

图6 可见光照射下的光催化降解曲线（a）和一级动力学曲线（b）

Fig. 6 Photocatalytic degradation curves（a）and first⁃order kinetics curves（b）under visible light irradiation

图7 循环实验中CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃的稳定性（a）和XRD图（b）

Fig. 7 Stability（a） and XRD patterns（b）of CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃ in cycle experiment

表1 CaFe₂O₄、CaSO₄和Fe₂O₃的E _g、电负性和导带、价带电位

Table 1 E _g，electronegativity，E _CB and E _VB of CaFe₂O₄，CaSO₄ and Fe₂O₃

样品	E _g/eV	X/eV	E _CB/eV	E _VB/eV
CaFe₂O₄	1.85	5.30	-0.30	1.90
CaSO₄	3.94	5.95	-0.52	3.42
Fe₂O₃	1.83	5.89	0.475	2.305

图8 CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃的光催化机理

Fig. 8 Photocatalytic mechanism of CaFe₂O₄/CaSO₄/Fe₂O₃

图9 不同猝灭剂对甲基橙降解率的影响

Fig. 9 Effect of different quenching agents on degradation rate of methyl orange

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