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MoS₂/Fe₃O₄纳米复合材料活化过一硫酸盐降解水中双酚A及机理

文章出处:人气: 发表时间:2022-02-23 15:14

  双酚A(BPA)是塑料制品中广泛使用的塑化剂,也是一种典型的内分泌干扰物,在工业废水和地表水中常被检出。基于过一硫酸盐的高级氧化技术中,非均相铁基催化剂如Fe₃O₄,因易于磁分离而备受青睐,但其催化活性受限于缓慢的Fe³⁺/Fe²⁺循环。二硫化钼(MoS₂)作为一种类石墨烯的二维过渡金属硫化物,其暴露的边缘和表面的不饱和Mo⁴⁺原子,被发现具有极强的还原能力,可以作为助催化剂,将芬顿反应中累积的Fe³⁺迅速还原为Fe²⁺,从而极大加速整个催化循环。将MoS₂与Fe₃O₄进行纳米尺度的复合,可以整合两者的优势,构建高效的PMS活化催化剂。

  

  本研究通过水热法在磁性Fe₃O₄纳米颗粒表面原位生长了花状的MoS₂纳米片,制备了MoS₂/Fe₃O₄复合催化剂。在活化PMS降解BPA的实验中,该复合催化剂的反应速率常数是单独Fe₃O₄的18倍,在15分钟内可将20mg/L的BPA完全去除,矿化率高达55%。XPS分析证实,在催化反应过程中,MoS₂表面的Mo⁴⁺确实作为电子供体,将Fe³⁺还原为Fe²⁺,自身被氧化为Mo⁶⁺。随后,Mo⁶⁺又被PMS还原回Mo⁴⁺,完成自身的再生循环。这种Mo和Fe之间的“接力”氧化还原,确保了Fe²⁺的持续高浓度供给,从而高效活化PMS。EPR测试表明,该体系中同时产生了SO₄·⁻、·OH和¹O₂,共同攻击BPA分子。

  

  借助Fe₃O₄磁核的磁性,反应结束后可通过外加磁场快速回收催化剂。经过6次循环使用,催化剂对BPA的降解效率保持稳定,其独特的纳米花状形貌未发生明显改变。该研究通过引入MoS₂作为助催化剂,巧妙解决了铁基催化剂活性衰退的固有难题,为设计高活性、高稳定性、可磁分离回收的非均相类芬顿催化剂,用于水中难降解有机污染物的去除,提供了聪明的材料学设计思路。

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