La-Fe-O基多孔纤维的制备及其炭烟催化和染料降解应用研究

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钙钛矿型La-Fe-O基材料具有良好的光电性、热稳定性、耐腐蚀性以及成本低等特点而在固体燃料电池、氧化还原催化剂、光催化剂、气体传感器等领域有着广泛应用。但是,目前报道的钙钛矿型结构材料孔隙率低,孔径小而使之在许多应用方面受到了限制。  本文采用溶胶凝胶-热处理法成功制备了不同微结构的钙钛矿型La-Fe-O基多孔微米纤维,并对其孔结构的形成机理、制备过程对纤维形貌和结构的影响以及不同K含量取代La位时对纤维催化性能的影响作了系统研究。分别通过热重-差热分析(TG-DTA)、傅立叶红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、N2吸附-脱附等温线、光电子能谱(XPS)等测试手段对多孔纤维的形成过程、晶体结构、表面形貌、比表面积和孔径分布以及表面元素化学状态作了表征分析。通过热重分析评估了钙钛矿型La-Fe-O基多孔纤维对炭烟颗粒的催化燃烧性能,同时,为了探究该多孔纤维在废水处理方面的应用,通过催化湿法氧化法研究了La0.8K0.2FeO3中空纤维为催化剂在常温常压下对甲基蓝溶液的催化降解活性。研究发现:  柠檬酸与金属离子摩尔比(CA/MC)、煅烧温度对纤维孔结构的形成有很大影响。在较大的CA/MC值下容易形成多孔或者中空纤维,而较小时(CA/MC=0.8)趋向于形成小孔或者实心纤维。当CA/MC=1.0-1.4,热处理温度在550-600℃之间时,纤维容易形成多孔结构,而500℃下获得的纤维为实心结构,当煅烧温度达到650℃时,纤维的多孔结构遭到破坏;在CA/MC=1.0-1.4,热处理温度600℃的优化条件下制备的LaFeO3多孔纤维直径在1-2μm,长度为几十至几百微米,比表面积15.3m2/g,平均孔径为9.5 nm;随着K含量的增加,纤维的比表面积增大,平均孔径减小,La0.8K0.2FeO3中空纤维的比表面积高达36.4 m2/g。  钙钛矿型La-Fe-O基多孔纤维对炭烟颗粒的催化燃烧性能与其煅烧温度、K含量和孔结构密切相关。多孔结构的存在提高了纤维与炭烟颗粒的接触,使其具有良好的催化性能。在600℃下获得的LaFeO3多孔纤维对炭烟催化时的T50和T90分别为393℃,434℃;当x=0-0.2时,La1-xKxFeO3多孔纤维的催化活性随着K含量的增加而上升,La0.8K0.2FeO3中空纤维对炭烟的催化效果最好,其T50和T90仅为355℃,404℃;  另外,La0.8K0.2FeO3中空纤维对甲基蓝溶液具有很高的催化降解活性。在常温常压下,80%的甲基蓝能在30 min内迅速降解,且该中空纤维催化剂经10次循环使用后仍然具有很高的催化活性。
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