单模聚焦微波法制备MIL⁃53(Fe)及其光催化性能研究

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2021.05.004

摘要/Abstract

摘要：

采用单模聚焦微波合成系统快速合成金属有机骨架光催化剂MIL?53(Fe)。选用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为添加剂，考察了CTAB的添加对MIL?53(Fe)晶相结构、形貌尺寸的影响，以及微波合成条件对MIL?53(Fe)催化性能的影响。以10 mg/L的罗丹明B为模拟降解物，比较了CTAB添加量对光催化效果的影响。结果表明，CTAB的添加使得MIL?53(Fe)晶体颗粒尺寸缩小，形态更加规整，且当微波反应功率为75 W，温度为100 ℃，反应时间为1 h，n(FeCl₃·6H₂O)/n(CTAB)=1∶0.5，催化剂质量浓度为0.2 g/L，在300 W钨灯照射100 min时对罗丹明B的降解率可达90%以上。通过自由基捕获实验可知，空穴和·OH是光催化过程中的主要贡献者。

关键词: 微波合成, 金属有机骨架材料, 表面活性剂, 光催化

Abstract:

A single?mode focused microwave synthesis system was used to rapidly synthesize MIL?53(Fe).The effect of reaction additive hexadecyl trimethyl ammonium bromide(CTAB) on the crystal structure, morphology, and particle size of MIL?53(Fe), as well as the microwave synthesis conditions on catalytic performance of MIL?53(Fe) were investigated using 10 mg/L Rhodamine B as a target contaminant. The results show that the addition of CTAB reduces the size of MIL?53(Fe) and makes the shape more regular. When the microwave power is 75 W,the temperature is 100 ℃,the synthesis time is 1 h,n(FeCl₃·6H₂O)/n (CTAB)=1∶0.5,the catalyst dosage is 0.2 g/L,the degradation rate of Rhodamine B can be more than 90% in 100 minutes under the radiation of 300 W tungsten lamp. It was known from free radical capture experiments that holes and ·OH were the main active species in the photocatalytic process.

Key words: Microwave synthesis, Metal?organic framework material, Surfactant, Photocatalytic

中图分类号:

TQ034

齐永娟, 宫晓杰, 张丹, 吴限, 李丽华. 单模聚焦微波法制备MIL⁃53(Fe)及其光催化性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(5): 24-29.

Yongjuan Qi, Xiaojie Gong, Dan Zhang, Xian Wu, Lihua Li. Preparation and Photocatalytic Performance of MIL⁃53 (Fe) by Single⁃Mode Focused Microwave[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2021, 34(5): 24-29.

图/表 11

图1 样品的XRD谱图

Fig.1 XRD spectra of samples

图2 样品的红外谱图

Fig.2 FTIR spectra of samples

图3 样品的紫外?可见光扩散漫反射谱图

Fig.3 UV?vis spectra of samples

图4 样品的SEM

Fig.4 SEM images of samples

图5 微波反应功率对MIL?53(Fe)/CTAB光催化活性影响

Fig.5 Effect of microwave reaction power on photocatalytic activity of MIL?53 (Fe)/CTAB

图6 微波反应温度对MIL?53(Fe)/CTAB光催化活性影响

Fig.6 Effect of microwave reaction temperature on photocatalytic activity of MIL?53 (Fe)/CTAB

图7 微波反应时间对MIL?53(Fe)/CTAB光催化活性影响

Fig.7 Effect of microwave reaction time on photocatalytic activity of MIL?53 (Fe)/CTAB

图8 CTAB掺杂量对MIL?53(Fe)/CTAB光催化活性影响

Fig.8 Effect of CTAB addition on photocatalytic activity of MIL?53 (Fe)/CTAB

图9 不同催化剂质量浓度对罗丹明B的降解效果影响

Fig.9 Effect of different catalyst dosages on degradation of Rhodamine B

图10 微波法与溶剂热法对罗丹明B的降解效果影响

Fig.10 Effect of microwave method and solvothermal method on degradation of Rhodamine B

图11 自由基捕获实验

Fig.11 Free radical capture experiment

参考文献 23

1	Dai Y T， Li C， Shen Y， et al. Light⁃tuned selective photosynthesis of azo⁃ and azoxy⁃aromatics using graphitic C₃N₄［J］. Nature Communications， 2018， 9（1）： 1⁃7.
2	Song L F， Zhang J， Sun L X， et al. Mesoporous metal⁃organic frameworks： Design and applications［J］. Energy & Environmental Science， 2012， 5（6）： 7508⁃7520.
3	Zhang B X， Zhang J L， Liu C C， et al. Solvent determines the formation and properties of metal⁃organic frameworks［J］. RSC Advances， 2015， 5（47）： 37691⁃37696.
4	Qiu L G， Xu T， Li Z Q， et al. Hierarchically micro⁃ and mesoporous metal⁃organic frameworks with tunable porosity［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2008， 47（49）： 9487⁃9491.
5	Zhou T H， Du Y H， Borgna A， et al. Post⁃synthesis modification of metal⁃organic frameworks to construct a bifunctional photocatalyst for hydrogen production［J］. Energy & Environment Sciences， 2013， 6（11）： 3229⁃3234.
6	Du J J， Yuan Y P， Sun J X， et al. New photocatalysts based on MIL⁃53 metal⁃organic frameworks for the decolorization of methylene blue dye［J］. Journal of Hazardous Materials， 2011， 190（1⁃3）： 945⁃951.
7	Zhang Y， Li G， Lu H， et al. Synthesis， characterization and photocatalytic properties of MIL⁃53（Fe）⁃graphene hybrid materials［J］. RSC Advances， 2014， 4（15）： 7594⁃7600.
8	Gong C， Chen D， Jiao X， et al. Continuous hollow α⁃Fe₂O₃ and α⁃Fe fibers prepared by the sol⁃gel method［J］. Journal of Materials Chemistry， 2002， 12（6）： 1844⁃1847.
9	Nivetha R， Kollu P， Chandar K， et al. Role of MIL⁃53（Fe）/hydrated⁃dehydrated MOF catalyst for electrochemical hydrogen evolution reaction （HER） in alkaline medium and photocatalysis［J］. RSC Advances， 2019， 9（6）： 3215⁃3223.
10	Bradshaw D， El⁃hankariL S， Lupica S L. Supramolecular templating of hierarchically porous metal⁃organic frameworks［J］. Chem. Soc. Rev.， 2014， 43（16）： 5431⁃5443.
11	王春杰，竭继涛，李雪，等. 不同表面活性剂对La₂Ce₂O₇纳米晶体生长活化能的影响［J］.人工晶体学报， 2017， 46（6）： 1034⁃1037.
	Wang C J， Jie J T， Li X，et al. Influence of different surfactants on the activation energy of crystal growth for La₂Ce₂O₇ nanocrystalline［J］. Jouranal of Synthetic Crystals， 2017， 46（6）： 1034⁃1037.
12	王冬华，付新. 不同形貌纳米氧化铁的制备及性能研究［J］. 无机盐工业， 2019， 51（9）： 21⁃23.
	Wang D X， Fu X. Preparation and properties of iron oxides nanomaterials with different morphologies［J］. Inorganic Chemicals Industry， 2019， 51（9）： 21⁃23.
13	Nazmul A K， Sung H J. Synthesis of metal⁃organic frameworks （MOFs） with microwave or ultrasound： Rapid reaction， phase⁃ selectivity， and size reduction［J］. Coordination Chemistry Reviews， 2015， 285（15）： 11⁃23.
14	Meng L Y， Wang B， Ma M G， et al. The progress of microwave⁃assisted hydrothermal method in the synthesis of functional nanomaterials［J］. Materials Today Chemistry， 2016， 1⁃2： 63⁃83.
15	Hu L X，Deng G H，Lu W C，et al.Deposition of CdS nanoparticles on MIL⁃53（Fe） metal⁃organic framework with enhanced photocatalytic degradation of RhB under visible light irradiation［J］. Applied Surface Science， 2017， 410（15）： 401⁃413.
16	Sofi F A， Majid K. Enhancement of the phtocatalytic performance and thermal stability of an iron based metal⁃organic⁃framework functionalised by Ag/Ag₃PO₄［J］. Materials Chemistry Frontiers， 2018， 2（5）： 942⁃951.
17	Pham M H， Vuong G T， Vu A T， et al. Novel route to size⁃controlled Fe⁃MIL⁃88B⁃NH₂ metal⁃organic framework nanocrystals［J］. Langmuir： The ACS Journal of Surfaces and Colloids， 2011， 27（24）： 15261⁃15267.
18	Llewellyn P L， Horcajada P， Maurin G， et al. Complex adsorption of short linear alkanes in the flexible metal⁃organic⁃framework MIL⁃53（Fe）［J］. Journal of American Chemical Society，2009，131（36）： 13002⁃13008.
19	Abhik B， Rohan G， Sumit B， et al. MOF derived porous carbon⁃Fe₃O₄ nanocomposite as a high performance， recyclable environmental superadsorbent［J］. Journal of Material Chemistry， 2012， 22（37）： 19694⁃19699.
20	Cai Z， Lun A， Jing J. Graphene hybridized photoactive iron terephthalate with enhanced photocatalytic activity for the degradation of rhodamine B under visible light［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2015， 54（1）： 153⁃163.
21	Akhbari K， Morsali A. Needle⁃like hematite nano⁃structure prepared by directed thermolysis of MIL⁃53 nano⁃structure with enhanced methane storage capacity［J］. Materials Letters， 2015， 141（15）： 315⁃318.
22	Gui M M， Chai S P， Xu B Q， et al. Visible⁃light⁃driven MWCNT@TiO₂ core⁃shell nanocomposites and the roles of MWCNTs on the surface chemistry， optical properties and reactivity in CO₂ photoreduction［J］. RSC Advances， 2014， 4（46）： 24007⁃24013.
23	孟双艳，王明明，吕柏霖，等.Eu掺杂的ZnO/MIL⁃53（Fe）光催化剂的合成及其对醇类选择性氧化的催化性能研究［J］. 化学学报， 2019， 77（11）： 1184⁃1193.
	Meng S Y， Wang M M， Lü B L，et al. Preparation of Eu⁃doped ZnO/MIL⁃53（Fe） photocatalyst and its catalytic performance for the selective oxidation of alcohols［J］. Acta Chimica Sinica， 2019， 77（11）： 1184⁃1193.

[1]	马馨月, 陈雷, 王芳芳, 陈常东. g⁃C₃N₄/Co₃O₄的制备及其光催化降解四环素研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(5): 56-64.
[2]	王嘉曼, 熊靖, 师金鸽, 韦岳长, 霍开玲. TiO₂催化剂催化CO₂还原的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(4): 1-11.
[3]	罗凤, 张万年, 王锐, 王凯, 戴淑敏, 何宇鹏, 秦玉才. 琥珀酸衍生物类非离子型表面活性剂的合成及性能评价[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(3): 11-16.
[4]	杨文科, 卢连雪, 李鹏, 张健, 胡绍争. 光催化材料石墨相氮化碳的合成、改性及应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(1): 43-51.
[5]	宁尧, 刘满, 刘素燕. 多孔碳BVO/Zn@ZPC的制备及其光降解性能[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(6): 36-47.
[6]	陈基鹏, 杨阳佳子, 李鹏, 张健, 胡绍争. 石墨相氮化碳的制备、改性及应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(5): 45-51.
[7]	张若男, 何仕婕, 王晓蓉, 王芳芳, 陈常东. BaTiO₃⁃TiO₂复合体的软化学制备及其性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(4): 46-51.
[8]	赵东启, 顾贵洲, 李政. 水滑石类光催化剂在污水处理中的应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(3): 36-42.
[9]	艾丹, 魏太庆, 孟阳, 高易, 栾伟宇, 王博. 零价铁/阳离子表面活性剂/生物炭对水体Cr(VI)的吸附研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(3): 54-62.
[10]	陈佳慧, 黎泓麟, 杨紫坤, 罗鸿仙, 张金生, 李丽华. GO改性的铈基纳米复合光催化剂性能对比研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(1): 63-67.
[11]	刘纪法, 陈雪冰, 王芳芳, 张静, 陈常东. 六方相/单斜相WO₃“异相结”的可控合成及光催化性能[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(6): 22-26.
[12]	郑宪宝. 低渗透油藏驱油用耐温抗盐型表面活性剂研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(6): 70-75.
[13]	吴祖庚, 李银燕, 李小玲, 吴玉国. 表面活性剂/有机碱对辽河稠油乳状液的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(5): 74-79.
[14]	周月娥, 陈雪冰, 张静. 内建电场调控光生电荷分离效率的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(3): 1-6.
[15]	崔美玉，李飞. 可见光催化的烯烃胺化反应的研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(3): 31-37.