用于非均相类芬顿反应的氧化石墨烯Fe3O4纳米复合材料的结构和功能研究外文翻译资料

 2022-08-04 16:58:35

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

用于非均相类芬顿反应的氧化石墨烯Fe3O4纳米复合材料的结构和功能研究

通过在碱性溶液中将铁盐共沉淀到氧化石墨烯片上，合成了氧化石墨烯-氧化铁纳米复合材料。结果表明，两种不同结构的形成依赖于GO负载。第一种结构对应于高达10%wt的低氧化镓负载，与氧化镓在Fe3O4纳米颗粒中的有利嵌入相关，并导致高达409 m2 g-1的更高表面积.高氧化石墨烯负载量超过10%wt会导致Fe3O4纳米粒子的聚集和氧化石墨烯片的不良堆积。在非均相类芬顿反应中，两种组分之间强界面相互作用(Fe-C-O)的存在导致酸性橙的降解比Fe3O4纳米粒子高20%。这种行为归因于结合的氧化石墨烯和Fe3O4纳米粒子的协同结构和功能效应。

磁铁矿(Fe3O4)因其独特的性质，包括良好的磁性、导电性、催化性、生物相容性和低毒性，在材料化学中引起了广泛的研究兴趣.特别是据报道Fe3O4纳米粒子(NPs)在许多反应中是催化剂，例如费歇尔-特罗施，哈伯-博施，环境催化和过氧化物酶样活性。然而，由于特别是在水相中强烈的各向异性偶极相互作用，这些纳米粒子易于聚集并形成大颗粒，从而失去其分散性和特定性质，最终降低其活性。因此，需要将这些纳米粒子固定在支持物上，以保持其独特性属性。

在许多材料中，石墨烯及其衍生物被认为是固定纳米粒子的潜在材料。特别令人感兴趣的是，氧化石墨烯由于其独特的二维层状结构和高表面积以及完全的表面可及性和边缘反应性而成为一种有吸引力的材料。固定的纳米粒子不仅能够防止石墨烯或氧化石墨烯的聚集堆积，而且由于两种组分之间的强协同作用，还提高了整体催化活性。石墨烯中缺乏直接将纳米粒子固定在其表面的表面功能，这导致了石墨烯作为石墨烯基纳米复合材料组装的替代支持物的有利应用。

GO来源于氧化石墨的剥离，由丰富的氧化官能团组成，如基面上的羟基和环氧化物，边缘有羰基和羧基。这些含氧官能团可以作为金属离子的成核位点，形成纳米粒子/氧化石墨烯纳米复合材料。最近，已有几项研究报道用GO作为Fe3O4纳米粒子的载体，催化硝基苯的还原，半胱氨酸和3，3，5，5-四甲基联GO苯胺的氧化。据报道，催化活性的提高归因于氧化石墨烯片和Fe3O4纳米粒子之间的协同作用。

这项工作主要致力于开发含有氧化石墨烯和氧化铁的纳米复合结构。通过共沉淀法在氧化石墨烯片上沉积Fe3O4纳米粒子，合成了GO-Fe3O4纳米复合材料。然后利用氮吸附、透射电子显微镜和X光电子能谱对纳米复合材料进行了广泛的表征，以更好地理解它们的结构和功能。最后，在非均相类芬顿反应中评价了纳米复合材料对酸性橙7 (AO7)染料降解的催化活性。研究结果为氧化石墨烯Fe3O4纳米复合材料的发展及其催化活性与结构形态的关系提供了新的视角。

结果

进行氮吸附测量以研究所得纳米复合材料在不同氧化石墨烯负载量(0至25%wt)下的结构特征。图2中的氮等温线。1a导致第四类形状，H2磁滞回线在0.3–0.98相对压力范围内。这些结果表明氧化石墨烯Fe3O4纳米复合材料具有介孔结构。孔径分布曲线(图1b)使用显示孔径在1至10纳米范围内的DFT模型计算。与GO-Fe3O4纳米复合材料相比，Fe3O4纳米粒子的孔径分布更宽，可达20纳米。滞后现象和孔径分布的这种变化可归因于氧化石墨烯在定制纳米复合材料的孔结构中所起的作用。这源于将二维(氧化石墨烯片)和零维(Fe3O4纳米粒子)结构整合到单一材料中。

制备的Fe3O4纳米粒子和纳米复合材料的比表面积和孔容如图1C所示。通过将氧化石墨烯负载量从5%增加到10%wt(最大SBET值约为409 m2·g-1)，观察到表面积显著增加，之后下降。事实上，在孔隙体积中也发现了类似的观察结果。在低氧化钨负载量(wtle;%)下，孔容保持稳定在0.32–0.33 cm2·g-1，随后在较高氧化钨负载量(wtgt;%)下降至0.23–0.24 cm2·g-1。

图2a–b显示了纯氧化石墨烯片的显微照片，其中表面尺寸为几微米，厚度为30纳米。Fe3O4纳米粒子团聚(图2c–d)，由大团簇的形成证明。图2e–f和2g–h分别显示了5%和15%wt的GO纳米复合材料的显微照片。与原始的GO表相比(图2a-b可以清楚地看到Fe3O4纳米粒子沉积在纳米复合材料的氧化石墨烯表面。此外，在氧化石墨烯以外没有观察到孤立的Fe3O4纳米粒子，这表明纳米粒子和氧化石墨烯片之间有很强的相互作用。还观察到，对于5%wt的氧化镓负载，层的厚度显著减小，从Fe3O4纳米粒子周围的2至3纳米计算，或者作为这些层的组合，最高达到5纳米(参见图2f插图中的虚线框)。对于15%wt的氧化石墨烯负载量，Fe3O4纳米粒子聚集在氧化石墨烯的外表面，氧化石墨烯层厚度无法测量。

尽管在低氧化石墨烯负载量(5%wt)下发生了少量的聚集，但大部分Fe3O4纳米粒子仍然高度分散在氧化石墨烯片上(图2e)。进一步观察到纳米粒子被插在氧化石墨烯片之间(见图2f中的虚线框)。这一观察结果表明，低的氧化亚铁负载有助于防止Fe3O4的严重聚集，这有利于纳米粒子在氧化亚铁平面上的分布。所选区域电子衍射(SAED)图中明亮的圆环表明Fe3O4纳米粒子是多晶的。面间距为0.25纳米的空间分辨晶格条纹与文献报道的Fe3O4(311)面的晶格间距一致。

然而，较高的氧化石墨烯负载量(15%wt)显示出不同结构的形成。这在HRTEM显微照片中清晰可见(图2h)表面不再显示GO表，如图2a和2e–f。事实上图2h显示出类似于纯Fe3O4纳米粒子的图案2d。这些图像证明了一旦氧化石墨烯负载量达到15%wt，Fe3O4纳米粒子的聚集程度占优势，这与孔体积的减少是一致的(图1c)。Fe3O4纳米粒子的主要覆盖是由于氧化石墨烯外表面的氧化官能团，这有利于纳米粒子的成核和生长。该过程类似于许多情况，其中表面缺陷和边缘提供热力学上有利的成核位置，其显示出严重的团聚，如图2c-d所示。

图1 | (a)氮吸附-解吸等温线，(b)密度泛函理论孔径分布和(c)Fe3O4和GO–Fe3O4纳米复合材料在不同GO负载下的SBET和孔体积。

图2 |(a–b)GO，(c–d)Fe3O4 NPs，(e–f)GO(5%wt)–Fe3O4纳米复合材料和(g–h)GO(15%wt)–Fe3O4纳米复合材料的TEM图像。

然后使用XPS对制备的纳米复合材料进行进一步分析，以验证纳米粒子的相态、纳米粒子与氧化石墨烯之间的相互作用以及氧化石墨烯作为载体的状态。如图3a所示，纳米复合材料的宽扫描光谱在结合能分别为285、530和711电子伏时显示出光电子谱线，分别归因于碳1s、氧1s和铁2p。在高分辨率铁2p扫描中，结合能峰值分别为711.1和724.6电子伏(图3b)分别对应于Fe 2p3/2和Fe 2p1/2。Fe 2p3/2电荷转移卫星在720电子伏时消失，揭示了Fe(ⅱ)和Fe(ⅲ)混合氧化物的形成，即Fe3O4 。此外，在不同的氧化石墨烯负载量下，得到了相似的峰形，表明在所有的纳米复合材料中都形成了Fe3O4相。

图4a显示了GO、GO-Fe3O4复合材纳米复合材料的光谱。因此，我们假设纳米复合材料光谱中大约531.2电子伏的新峰的出现归因于Fe3O4纳米粒子在氧化石墨烯片上的沉积，这可能是通过Fe-O-C。与原始氧化石墨烯相比，纳米复合材料中氧碳氧、碳氧和碳氧碳以及碳羟基峰的相对强度显著降低，这表明铁元素可能与羧酸基料和Fe3O4纳米粒子的氧1s光谱。氧化镓的氧1s光谱的解卷积由三个峰组成:(1)由于在宽扫描光谱中在168电子伏检测到的微量硫而结合到硫酸基团的氧，(2)羧酸盐和/或羰基中的氧(C–O=C；C =O: 532.4 eV)，和(iii)环氧树脂和/或羟基中的氧(C–O–C；C–OH:533.2 eV)。值得注意的是，GO-Fe3O4纳米复合材料中的氧原子的光谱峰向低结合能方向移动并变宽，这是Fe3O4(Fe-O:529.8 eV)中氧原子属于晶格氧的特征。

图3 | (a)宽扫描XPS光谱和(b)高分辨率的GO、GO–Fe3O4纳米复合材料和Fe3O4纳米粒子的Fe 2p光谱。

Fe3O4在氧化石墨烯上的结合可能通过碳原子或氧化石墨烯表面和边缘的氧化官能团发生。然而，第一种可能性被排除，因为在Fe-C中的碳或铁原子的贡献在707.5和283.3电子伏两种铁2p中都不存在(图3b)和C1(图4b)团发生二齿配位，羟基中的氢被取代。进一步的考虑可能与环氧基团通过Fe3O4中的铁元素通过铁-氧-碳键的开环反应有关。Fe3O4纳米粒子的氧1s光谱显示最大峰值集中在529.8电子伏，这归因于铁氧键。纳米复合材料中金属-氧-碳键的形成可以从金属氧化物的金属-氧键转移到大约1-3电子伏的更高结合能，如表1所示，这一事实可以证实这一发现。

图4 | O(a)1s和C(b)1s光谱的XPS曲线拟合。

表1 |氧1s光谱中金属-氧-碳键的结合能

金属–氧–碳

金属-氧键 B.E. (eV) 结合 B.E. (eV) 参考文献。

铁氧 530.3 铁-氧-碳 531.7 28

铁-氧-碳 533.0 33

铁氧 529.8 铁-氧-碳 531.2 这项工作

镍-氧 529.3 镍-氧-碳 530.2 32

铜氧 530.5 铜氧碳 532.8 34

在这些纳米复合材料中，GO作为载体的状态由图4b所示的碳1s光谱进一步证明。GO的光谱可以解卷积成五个分量，分别对应于C=C sp2 (284.6 eV)、C–C SP3(285.1 eV)、C–OH和/或C–O–C(286.7 eV)、C=O (288.1 eV)和O–C=O(289.0 eV)观察到碳羟基和碳氧碳峰的强度与C=C sp2相似，表明氧化石墨烯被充分氧化，与羰基和羧酸根相比，具有大量的羟基和环氧基。有趣的是，GO-Fe3O4纳米复合材料中C–C SP3的峰向更高的结合能移动了0.4 eV。随着Fe3O4的沉积，该峰的强度与C =C sp2一起增加，而氧化官能团减少，特别是对于羟基和氧碳氧碳，随着氧化石墨烯负载量的减少。这些结果表明，由于氧化石墨烯基面上的环氧化物和羟基被部分去除，氧化石墨烯发生部分还原的可能性，在制备氧化石墨烯Fe3O4纳米复合材料的过程中，氧化石墨烯基面在碱性条件下被脱氧。

此外，新共价键铁氧碳的形成，以及作为这些纳米复合材料载体的氧化镓的部分减少，基于原子浓度及其各自的从O1 s和C1 s光谱中去卷积峰的比率得到了证实(图4). 从各个峰值推导出的汇总数据如图5所示。发现Fe-O-C的出现在低氧化钨含量(10%wt)时逐渐增加，并在达到10%wt时趋于稳定。随着氧化石墨烯负载量的增加，沉积的Fe3O4的量随着剥离的氧化石墨烯片中容易获得的氧化官能团的增加而逐渐增加，这是通过两种组分之间的成功嵌入实现的。然而，进一步增加氧化镓负载(＞

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[263439]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章