铁酸铜复合氧化物的制备及紫外光催化

　　染料、香料、农药等生产过程中排放大量有机废水，有机废水在自然界中暴露就有可能导致生物变异(致癌、致畸和致突变)，因而污水处理有着极为重要的现实意义。近年来，多种高级氧化技术用于处理有机废水，如湿式氧化法、超临界水氧化法、Fenton 试剂法和光催化氧化法等。其中，光催化氧化法由于具有降解无选择性、常温常压、无毒性、化学性质稳定、可重复利用和具有大规模利用太阳能的前景而备受关注。Fenton 试剂 Fe2O3/H2O2不仅可氧化有机污染物，还生成羟基、自由基氧化更多有机物。
　　铁酸铜可作为反应的催化剂，尖晶石类铁酸铜由于其禁带宽度小、无光腐蚀，在可见光催化方面已有文献报道，但 CuFe2O4的紫外光催化和吸附脱色活性研究并未见报道。本文以抗坏血酸为燃烧剂燃烧法制备铁酸铜，燃烧法制样工艺简单、无毒、安全，所制样品无须洗涤和煅烧，减少了二次污染。铁酸盐中三氧化二铁与双氧水作用形成Fenton 试剂产生羟基，铁酸盐作为光催化剂产生羟基自由基和羧基自由基，将二者相结合提高有机污染物的分解。
　　1 材料与方法
　　1.1 仪器及药品
　　1.1.1 仪器
　　UV-1200 型紫外-可见分光光度计，上海精密仪器厂;D/maxRB12KwXRD 衍射仪，日本理学转耙X 射线衍射仪;HPL-125W 型紫外灯，飞利浦牌;LEO 型扫描电镜，德国 LEO 公司;2608DM 型多用电热套，山东鄄城化学仪器厂;碘钨灯，D2004W型电磁搅拌器，上海梅颖浦仪器制造有限公司;3H-2000PS2 全自动氮吸附微孔分布测试仪，贝士德仪器科技(北京)有限公司;WQF-520 型傅里叶变换红外光谱仪，北京瑞利分析仪器公司。
　　1.1.2 配置试剂
　　(1)硝酸铁溶液 称取 8.08g 硝酸铁放入100mL 容量瓶中，加水至刻度线并摇匀，配置成0.2mol/L 的溶液。
　　(2)硝酸铜溶液 称取 4.292g 硝酸铜，放入100mL 容量瓶中，加水至刻度线并摇匀，配制成0.2mol/L 的溶液。
　　(3)抗坏血酸溶液 称取 17.613g 抗坏血酸，放入 250mL 容量瓶中，加水至刻度线并摇匀，配制成 0.4mol/L 的溶液。
　　(4)罗丹明 B 溶液 称取 0.005g 罗丹明 B 样品于烧杯中，然后用水溶解，置于 500mL 的容量瓶中，然后固定容积，配制出 0.01g/L 的罗丹明 B溶液。
　　2 结果与讨论
　　2.1 铁酸铜复合氧化物的 XRD 表征
　　硝酸铜、硝酸铁和抗坏血酸按照不同摩尔比制备复合氧化物的 XRD 衍射图。按照反应方程式，硝酸铜、硝酸铁和抗坏血酸摩尔比为 1 2 1 时，所生成的复合氧化物为 CuFe2O4;当硝酸铜、硝酸铁和抗坏血酸摩尔比为 2 3 1 时，复合氧化物为 Cu2Fe3O5。但 XRD 衍射峰表明复合氧化物皆为一种物质，即 CuFe2O4，而且硝酸铜、硝酸铁和抗坏血酸摩尔比为 2 3 1 时 CuFe2O4的 XRD 衍射峰最高，样品的结晶度最好。样品的特征衍射峰与尖晶石型铁酸铜标准卡片(JCPDS 25-0283)相符。
　　2.2 铁酸铜复合氧化物的电镜表征
　　燃烧法制备铁酸铜复合氧化物电镜和氧化铜的电镜及 XRD 表征。由图 3(a)可以看出，氧化铜电镜表征为片状结构，粒径在 300nm左右。铜的氧化物的 XRD 衍射谱图也可以看出，铜的氧化物不但有氧化铜还有氧化亚铜。
　　2.4 铁酸铜复合氧化物的紫外表征
　　燃烧法制备铁酸铜复合氧化物的紫外吸收光谱图。由图 4 可以看出，硝酸铜、硝酸铁和抗坏血酸摩尔比不同时复合氧化物紫外吸收性能改变不大，大量文献报道铁酸铜在可见光区有较强的吸收，在本文用燃烧法制备的铁酸铜在可见光区未见吸收，而是在紫外光区有着较强的吸收，这可能是由于复合氧化物的制备工艺对其性质产生较大影响。Cu(NO3)3、Fe(NO3)3和 C6H8O6摩尔比为 2 3 1 时，复合氧化物的紫外吸收边界值最大，其紫外吸收性能最佳。复合氧化物在 276nm 吸收峰随着铁的摩尔比减小，峰位置发生蓝移，紫外吸收峰的个数也在增多。这与产物的结构有关，由于产物 XRD谱图中大部分为氧化铜的衍射峰，只有一个氧化铁的衍射峰，而氧化铜在紫外光吸收范围有较强的吸收，所以复合氧化物在紫外光区有强吸收，复合氧化物在吸收性能上更多呈现类似氧化铜紫外吸收性能。而氧化铁的复合使铜的紫外吸收性能发生蓝移，改变铜的紫外吸收性能。
　　2.5 铁酸铜复合氧化物的比表面分析
　　复合氧化物的比表面积分析，由表 1 可以看出，复合氧化物中铁酸铜摩尔比不同，比表面积也不同，硝酸铜、硝酸铁和抗坏血酸摩尔比为 2 3 1 复合氧化物比表面积最大，复合氧化物比表面积增大代表着催化剂与反应溶液接触面积增大，催化性能提高。
　　2.6 铁酸铜复合氧化物的光催化
　　复合氧化物的光催化条件考察实验结果。由图 6 可以看出，复合氧化物在紫外光照射下光催化性能不稳定，较为稳定的复合氧化物是硝酸铜 硝酸铁 抗坏血酸(摩尔比)为 2 3 1 和 2 4 1 的复合氧化物，当双氧水的用量为 5mL/L、pH值为 6 时，催化剂加入量为 0.4g/L 时选择硝酸铜 硝酸铁 抗坏血酸(摩尔比)为 2 3 1 复合氧化物光催化效果越好。从图 6 中可以看出，硝酸铜 硝酸铁 抗坏血酸(摩尔比)为 2 3 1 时，复合氧化物对罗丹明 B 除了具有光催化性能外，还具有较好的吸附性能。30min 时，复合氧化物并未进行光催化，只是暗箱吸附，所以在 30min 吸光值最低的点即吸附脱色效果最好。吸附剂仍然选择硝酸铜 硝酸铁 抗坏血酸(摩尔比)为 2 3 1 的复合氧化物，吸附剂用量也是 0.4g/L，不加双氧水，pH 值为 12 时脱色效果最好，溶液的酸碱性对复合氧化物脱色效果影响最大。
　　3 结 论
　　以抗坏血酸为燃烧剂燃烧法制备铁酸铜复合氧化物，改变铁铜摩尔比制备出复合氧化物，以其为催化剂，在紫外灯光源下光催化罗丹明 B，复合氧化物表现不同的光催化效果。当复合氧化物中硝酸铜、硝酸铁和抗坏血酸摩尔比为 2 3 1 和 2 4 1 时，紫外光催化效果较好。另外，当复合氧化物中硝酸铜、硝酸铁和抗坏血酸摩尔比为 2 3 1 时，复合氧化物还具有较好的吸附脱色效果。燃烧法制样工艺简单、无毒、安全，所制样品无须洗涤和煅烧，减少二次污染。