关键词：机械催化;;热电催化;;BaTiO_3纳米线;;染料降解
摘 要：在目前印染工业废水污染日益严重的情况下,一系列物理、化学、生物方法被开发利用来降解这些危害很大的有机染料废水。其中半导体光催化作为一种绿色环保的催化方式受到了广泛地关注,发展很快。但由于大多数半导体光催化剂禁带较宽,导致了其光吸收范围窄,降解效率较低,严重阻碍了其应用发展。因此,研发一种高效、绿色的染料废水降解方法迫在眉睫。除光能外,自然界中还存在着振动能和室温温差变换热能等普遍存在的清洁能源形式,如可用来应用在有机染料废水处理中将具有广阔的应用前景。类似于光催化由光伏效应诱导电荷引发电化学反应的的光-电-化学效应,铁电材料所具有的压电效应和热释电效应也具有将振动能和室温温差变换热能转变为电能的能力,且转换效率较光催化的光伏效应要高,分别达到了 40%-60%和40%-45%。因此,由压电效应和热释电效应诱导的机械催化和热催化的染料降解效果较半导体光催化会更好。因此,我们计划研究以机械-电-化学效应为基础的机械催化和以热-电-化学效应为基础的热催化的染料降解技术。BaTiO3纳米线是一种被广泛研究的铁电材料,其不含铅,具有相对较高的压电系数(～45 pC/N)和热释电系数(～90μC ITn-2 K-1),且可被反复弯曲或加热冷却,可作为一种理想的催化剂来实现机械催化和热催化。本文中,我们在水热合成的BaTi03纳米线的基础上实现了基于机械-电-化学效应的机械催化染料降解。在低频超声振动的辅助下,在60分钟内染料降解率可以达到～98%。此外,在冷热循环的激励下我们实现了基于热-电-化学效应的热催化染料降解,在72个冷热循环内降解率达到了～99%。为得到更好的热催化降解效果,我们在水热合成的BaTiO3纳米线的基础上制备了 BaTi03@Zn0纳米材料并在42个冷热循环内得到了～98%的染料降解率。在随后的重复性实验中,催化剂在经过多次催化实验后,在相同的催化时间内仍具有很高的染料降解率,催化性能没有受到很大损失,显示我们制备的催化剂可以经受长时间的振动,或者被反复加热冷却而不变性,具备很好的可回收性。此外,机械催化和热催化染料降解过程中产生的活性物种如羟基和超氧自由基在活性物种检测实验中被观察到。在实验结果的基础上,我们讨论了机械催化和热催化以及负载ZnO提升热催化性能的基本机理,为进一步的研发和应用提供了理论和实践基础。结果表明,应用无铅铁电BaTiO3纳米线催化剂实现的利用振动能的机械催化和利用室温温差变换热能的热催化是一种对绿色能源有效利用的的高效、环保的染料降解技术,在有机染料废水处理方面具有重要的现实意义。
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