孟庆男,梁香灵,田娜,汤玉斐,赵康
(西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048)
摘要:围绕污水处理领域的前沿技术,设计了碳包覆CeO2-Co3O4复合材料制备及其催化性能优化综合实验。实验融合了溶剂热反应、溶胶凝胶反应和模板法,制备出具有“核壳”及“摇铃”结构的复合材料;借助XRD、TEM、SEM、FTIR、N2吸附-解吸附测试等表征手段剖析了材料的结构特性。研究了材料催化活化过一硫酸盐(PMS)降解亚甲基蓝(MB)的性能;建立了材料结构与性能间的联系,并基于最优材料,提出了其催化机制。该实验训练了学生对化学及材料学科知识的理解和综合运用能力,有助于培养他们的实践能力、自主创新意识和科学思维能力。
关键词:CeO2-Co3O4;碳;核壳及摇铃结构;亚甲基蓝;PMS活化;实验设计
合成染料是全球水污染的主要来源之一。其中,亚甲基蓝(MB)、亚甲基红(MR)和罗丹明B(RhB)等合成染料,在纺织、化妆品、皮革、制药、涂料以及造纸等众多行业应用广泛。这些染料即使在水中的含量极低(小于1ppm),也会使水体变得不宜饮用[1]。例如,MB不仅能引发高血压、皮肤刺激以及肠胃不适等症状,更与癌症和肾衰竭等严重疾病存在关联。此外,由于这类合成染料具有较强的持久性和抗自然降解能力,它们在水环境中的存在还会对天然水体和生态平衡造成不可逆转的破坏[2]。
近年来,基于过一硫酸盐(PMS)的水处理技术发展迅速。PMS分解可产生具有高氧化活性的硫酸根自由基(SO–)等活性氧(ROS),因此被认为是降解水中有机污染物的有效手段[3]。有研究表明,Fe、Co、Ni、Mn、Cu等过渡金属元素的氧化物可作为催化剂,大幅提高PMS的分解速率[4]。并且,得益于Ce3+/Ce4+的氧化还原特性和丰富的氧空位,将这些催化剂与CeO2复合,可增加吸附和反应位点、加速电子转移,从而加快有机污染物的氧化降解[5-7]。例如,Liang等证实了Co3O4-CeO2复合材料在活化PMS降解三氯乙烯方面的优越性,并揭示了钴、铈离子间的协同效应[5]。但催化剂的尺寸一般都在纳米级,在溶液中更容易团聚和腐蚀,严重限制了其性能发挥。人们发现,在金属氧化物外部包覆碳材料,不仅可以阻止活性物质的聚集、减少金属离子的溶解溢出,还能提供电子传输的快速通道,进而提高材料的氧化还原催化活性[8-9]。另一方面,催化材料的结构强烈影响着它的性能,中空及多孔结构有利于暴露更多活性位点、促进反应物富集,并减少SO–等ROS的扩散距离,提高反应效率。同时,反应发生在中空及多孔结构内部,还存在空间限域作用,能够显著改变化学反应过程,提高有机物的降解效率[10-13]。
如图1所示,在本实验中,首先采用溶剂热法制备中空Co3O4-CeO2前驱体,然后在其表面包覆间苯二酚-甲醛(RF)树脂,再碳化转化为“核壳”结构材料,其中Co3O4-CeO2作为核、碳作为壳。同时,通过引入不同厚度的二氧化硅(SiO2)中间层作为模板,经过碳化和去除模板,制备了具有不同“间隙”尺寸的“摇铃”结构材料。最后,通过系统的测试、分析和合理对比,建立了材料结构与其性能之间的内在联系,优化了其活化PMS降解MB的效能。本实验涵盖了纳米材料的制备、表征与应用,不但能提高学生的实验设计能力,还有利于培养学生的科学思维和创新意识。
1 实验设计
1.1实验原理
碳包覆CeO2-Co3O4催化材料的制备。如图1(a)所示,以柠檬酸盐为螯合剂和沉淀剂,与Ce3+/Co2+离子形成柠檬酸盐沉淀物。在溶剂热和碱性条件下,这些沉淀物水解并通过奥斯瓦尔德熟化过程形成具有中空结构的CeO2-Co3O4前驱体。接下来,以该前驱体为“核”,根据设计需要,通过溶胶-凝胶法在其表面包覆SiO2模板层和/或RF树脂层,最终通过碳化及刻蚀获得不同结构的碳包覆CeO2-Co3O4催化材料。RF树脂层和SiO2层包覆反应示意图见图1(b)和(c)。

图1碳包覆CeO2-Co3O4催化材料制备流程图及RF树脂和SiO2包覆反应示意图
1.2 实验试剂与仪器
主要试剂:七水合氯化铈(CeCl3·7H2O)、六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)、二水合柠檬酸三钠(C6H5O7Na3·6H2O)、尿素(CH2N2O)、乙二醇(C2H6O2)、氨水(NH3·H2O,28%)、正硅酸乙酯(C8H20O4Si)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(C9H23NO3Si)、间苯二酚(C6H6O2)、甲醛(CH2O,30%)、氢氧化钠(NaOH)、亚甲基蓝(MB,C16H18N3ClS·3H2O)、过一硫酸氢钾复合盐(PMS,2KHSO5·KHSO4·K2SO4)、叔丁醇(C4H10O)、对苯醌(C6H4O2)、L-组氨酸(C6H9N3O2)、乙醇(C2H6O)。
主要设备与仪器:分析天平、磁力搅拌器、超声波清洗仪、高速离心机、反应釜、电热恒温鼓风干燥箱、管式电阻炉、X射线衍射仪(XRD,XRD-7000)、扫描电子显微镜(SEM,JEOL,JEM-6700F)、透射电子显微镜(TEM,JEOL,JEM-3010)、红外光谱仪(FTIR,Nicolet,Avatar360)、比表面及孔径分析仪(Micromeritics,ASAP2020)、电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP,PerkinElmer,Optima8300)、紫外-可见光分光光度计(西安比朗,7601MC)等。
1.3 实验步骤
1.3.1 材料制备
中空Co3O4-CeO2前驱体制备。将0.75mmolCeCl3·7H2O和0.75mmolCoCl2·6H2O溶解在5mL去离子水中,加入1.5mmol柠檬酸三钠,配制成溶液A;将0.6g尿素溶解于20mL乙二醇中配制成溶液B。将溶液A与溶液B混合均匀后,转移至50mL反应釜内,并在200℃的鼓风烘箱中保温10h;反应釜自然冷却后,离心收集沉淀物,用去离子水和无水乙醇分别清洗三次后放入60℃烘箱中干燥12h,获得Co3O4-CeO2前驱体,简记为:Co3O4-CeO2(Pre)。
“摇铃”结构复合材料制备。将水热制备的前驱体样品分散到由128mL乙醇、32mL去离子水和3mL氨水组成的混合液中,分别加入0.75mL及1.5mLTEOS,并在室温下搅拌6h;向体系加入0.15mLKH-550,继续搅拌2h;最后,依次加入0.2g间苯二酚和0.28mL的甲醛,搅拌12h,获得包覆产物(分别命名为:Co3O4-CeO2(Pre)@SiO2@RF-1和Co3O4-CeO2(Pre)@SiO2@RF-2)。离心收集沉淀物并干燥后,将其置于管式炉中,在N2气氛下500℃碳化2h,升温速率为5℃/min。将碳化产物浸泡于1.5mM的NaOH溶液中,于40℃条件下刻蚀4h,将产物收集、清洗和干燥。其中,TEOS添加量为0.75mL和1.5mL时,材料分别命名为:Co3O4-CeO2@h-C-1和Co3O4-CeO2@h-C-2。
“核壳”结构复合材料制备。将水热制备的前驱体样品分散到128mL乙醇、32mL去离子水和3mL氨水组成的混合液中。加入0.15mLKH-550并搅拌2h后,依次加入0.2g间苯二酚和0.28mL的甲醛,搅拌12h,获得包覆产物(命名为:Co3O4-CeO2(Pre)@RF)。离心收集沉淀物并干燥后,将其置于管式炉中,在N2气氛下500℃碳化2h,所制备材料命名为:Co3O4-CeO2@C。
中空Co3O4-CeO2制备。作为对比,本实验直接将水热制备的前驱体样品置于管式炉中,在N2气氛下500℃加热2h,升温速率为5℃/min,获得样品命名为:Co3O4-CeO2。
1.3.2催化性能测试
量取50mL的MB(50mg/L)溶液置于双层石英管中,石英管夹层中通入循环水,使反应温度始终保持在25℃。称取15.0mg催化剂分散于MB溶液中,搅拌30min,以达到吸附平衡。向混合液中加入30.1mgPMS,随后每隔一定时间取1.5mL反应混合液,立即用0.22μm的滤头过滤。取1mL滤液加入到含甲醇猝灭剂的去离子水溶液中(5mL),然后使用紫外-可见光分光光度计记录MB溶液在664nm波长处的吸光度,并通过吸光度的变化来反映MB溶液浓度的变化。MB的降解率η可通过以下公式计算

式中:A0为MB溶液的初始吸光度,At为t时刻MB溶液的吸光度。
1.3.3自由基清除实验
在催化剂与MB溶液达到吸附平衡后,向体系中添加ROS清除剂,再加入PMS开始催化反应,通过MB降解率的变化来确定对降解反应过程起主要作用的ROS。实验使用乙醇(EtOH)作为硫酸根自由基(SO4–)和羟基自由基(·OH)的清除剂,叔丁醇(TBA)作为羟基自由基(·OH)的清除剂,对苯醌(p-BQ)作为超氧自由基(O–)的清除剂,L-组氨酸(L-H)作为单线态氧(1O2)的清除剂。
2 实验结果与讨论
2.1XRD分析
图2为所制备材料的XRD谱图,对于Co3O4-CeO2,在2θ=28.5°、33.1°、47.5°、56.2°、58.9°、69.4°、76.8°、
79.0°和88.4°处的衍射峰归属于立方相CeO2(JCPDSNO.34-0394)的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)、(331)、(420)和(422)晶面;在2θ=36.8°、
59.1°和65.1°处的衍射峰归属于立方相Co3O4(JCPDSNO.42-1467)的(311)、(511)和(440)晶面。这说明前驱体直接在氮气下煅烧,可成功转化为Co3O4和CeO2的复合物。此外,通过ICP测试确定了Co3O4-CeO2中Co与Ce的摩尔比约为0.51∶1,所以谱图中Co3O4的衍射峰较低。而在Co3O4-CeO2@C、Co3O4-CeO2@h-C-1和Co3O4-CeO2@h-C-2的XRD谱图中,虽然能观察到归属于CeO2的衍射峰,但这些峰的强度变低、峰宽变宽,这是因为前驱体表面的包覆层在煅烧过程中有效抑制了氧化物的晶粒生长,并且SiO2的抑制效果明显强于RF树脂[14]。同时,在核壳及摇铃型材料的XRD谱图中均观察不到Co3O4的衍射峰,表明Co3O4高度分散于CeO2中。

图2材料的XRD谱图
2.2 TEM和SEM分析
图3(a)的TEM照片显示Co3O4-CeO2前驱体具有不规则的“生姜”状轮廓,尺寸约为100~500nm,并且其内部呈现出明显的空腔结构。接下来,采用溶胶凝胶法对Co3O4-CeO2前驱体进行表面包覆。当仅向反应体系中加入间苯二酚和甲醛时,从图3(b)可以观察到Co3O4-CeO2前驱体外围形成了致密且连续的壳层,厚度约为15~20nm,说明RF树脂层包覆成功。而当依次加入TEOS以及间苯二酚/甲醛后,在相应的TEM照片中(见图3(c)和(d)),前驱体颗粒表面出现了衬度不同的双壳层结构,由内到外分别为SiO2模板层(图中箭头标记处)和RF树脂层。值得注意的是,随TEOS添加量由0.75mL增加到1.5mL,SiO2模板层的厚度也由5~8nm提高到约24~30nm。

图3材料的TEM照片
以上样品经过N2条件下500℃处理及去除模板(对于摇铃结构材料)后,其TEM照片见图3(e)—(h)。首先,Co3O4-CeO2材料的整体形态和结构(见图3(e))与前驱体保持一致。类似地,相比于碳化前,Co3O4-CeO2@C依然保持着良好的核壳结构(见图3(f))。而 与之形成鲜明对比的是,在Co3O4-CeO2@h-C-1和Co3O4-CeO2@h-C-2的TEM照片(见图3(g)和(h))中,Co3O4-CeO2内核与C外壳间产生了明显的间隙,但Co3O4-CeO2@h-C-2的间隙更大,这得益于其制备过程中采用了更厚的SiO2模板层[15]。
图4展示了所制备核壳及摇铃结构材料的SEM照片,可以观察到所有样品都由颗粒聚集而成,但对于Co3O4-CeO2@h-C-1和Co3O4-CeO2@h-C-2,产物中有少量颗粒发生了破碎,这是由于部分碳壳层较薄,在SiO2模板去除后无法自支撑造成的。但同时,该结果也证明其内部是中空结构。以上结果充分证明,本实验通过简单控制制备过程中TEOS的用量(0、0.75、1.5mL),可成功制备具有“核壳”及“摇铃”结构的碳包覆Co3O4-CeO2复合材料,并能有效调控后者的间隙尺寸,因此具有很高的便利性和灵活性。
2.3 FTIR分析
本实验以Co3O4-CeO2@h-C-1为例,利用FTIR光谱对制备过程中各步骤产物的表面官能团进行了分析(见图5)。在包覆产物CeO2-Co3O4(Pre)@SiO2@RF-1的谱图中,3417cm–1处的宽峰归属于-OH的拉伸振动峰,1617cm–1、1478cm–1和1385cm–1处的谱峰来自于RF树脂中苯环的骨架振动,793cm–1和860cm–1处的峰对应于苯环上的邻、对位取代[16]。而1088cm–1处出现的吸收峰归因于Si—O—Si的对称拉伸振动,465cm–1处的吸收峰对应于Ce—O键的拉伸振动。以上结果证明了RF树脂和SiO2的成功包覆。碳化后,CeO2-Co3O4@SiO2@C-1样品的FTIR谱图中除了1091cm–1和467cm–1处的Si—O—Si键和Ce—O键的拉伸振动外,其他峰的强度大大削弱,表明碳化过程中样品表面的大量羟基及有机基团发生分解。对于Co3O4-CeO2@h-C-1,谱图中归属于Si—O—Si键的吸收峰消失,表明SiO2已被溶解去除。而948cm–1处出现的特征峰可能是在NaOH刻蚀过程中形成了一定量的Co—O—Si键,这有利于样品表面缺陷的形成。此外,695cm–1处的特征峰则归因于Co—O键,在模板去除后显现了出来[5,17]。

图4材料的SEM照片

图5样品的FTIR谱图
2.4 比表面积分析
图6(a)为样品的N2吸附-解吸附等温线,图中所有曲线均可归为第Ⅳ类等温线,并出现了明显的滞后环,说明样品中存在大量介孔结构[5]。测试结果显示,CeO2-Co3O4的比表面积约为55.8m2/g,而CeO2-Co3O4@C的比表面积仅为24.8m2/g,这是因为碳壳层对内核材 料的紧密包覆阻碍了外界N2的进入。相反,对于具有“摇铃”结构的Co3O4-CeO2@h-C-1和Co3O4-CeO2@h-C-2,其比 表面积分别增加到222.1和107.1m2/g,这是因为煅烧 过程中SiO2对Co3O4和CeO2烧结及晶粒长大起到抑 制作用,降低了内核材料的比表面积损失[14]。另一方 面,在溶胶凝胶过程中,TEOS水解/缩合产生的正硅酸低聚物并未完全沉积到SiO2模板层中,而是部分进 入了后续包覆的RF树脂层中,经过碳化和刻蚀后,在碳壳层中留下了大量孔洞,不但提供了更多的比表面积,还有利于材料的内外联通[18]。值得注意的是, Co3O4-CeO2@h-C-1的比表面积远高于Co3O4-CeO2@ h-C-2,这可能是因为后者在制备过程中加入的TEOS更多,导致正硅酸缩合和沉积反应更完全,从而使造孔效果下降。图6(b)显示了材料的孔径分布图,证明各材料均富含大量孔道,且分布较宽。

图6材料的N2吸附-解吸附等温线及孔径分布图
2.5 催化性能及构效关系分析
实验以MB为模拟污染物,考察不同结构材料活化PMS的催化性能。首先,如图7(a)所示,PMS自身降解MB的效率仅为12.6%。而将所制备材料与MB溶液搅拌30min达到吸附平衡后,Co3O4-CeO2@h-C-1、Co3O4-CeO2@h-C-2、CeO2-Co3O4@C和CeO2-Co3O4对MB的吸附率分别为58.9%、48.5%、6.2%和6.3%。其中,“摇铃”型结构材料的吸附率较高,这是因为其较高的比表面积。此外,虽然CeO2-Co3O4@C的比表面积小于CeO2-Co3O4,但其对MB的吸附率与后者相当,这得益于CeO2-Co3O4@C中碳壳层与MB分子间的疏水-疏水相互作用。当加入PMS后,Co3O4-CeO2@h-C-1和Co3O4-CeO2@h-C-2体系中的MB迅速降解,反应2min后,降解率分别达到85.4%和79.4%;继续延长反应至20min,MB几乎被完全降解。而对于CeO2-Co3O4@C,其在20min时可降解78.5%的MB,低于CeO2-Co3O4的90.7%。以上结果表明,Co3O4-CeO2@h-C-1的催化活性最优,这是因为其具有最高的比表面积,有利于内部活性位点的暴露和物质的富集与交换,并且较小的“间隙”尺寸有利于形成更显著的空间限域作用。同时,材料晶粒尺寸的降低容易产生更多的表面氧空位(Ov)等缺陷,有利于PMS的活化[14,19]。相反,CeO2-Co3O4@C具有最差的催化性能,这归因于其致密的碳包覆层,阻碍了材料的内外物质交换。由此可见,在材料组成基本不变的情况下,可以通过材料结构的调控优化其催化性能。

2.6 活性氧与催化机理分析
选取催化性能最优的Co3O4-CeO2@h-C-1为研究对象,利用清除剂来确定MB降解反应中的主要ROS。如图7(b)所示,当体系中加入TBA和p-BQ时,反应前期MB的降解速率有所降低,但反应延长到20min
后,MB的降解率下降并不明显。说明·OH和O–在体
系中的作用很小。而加入EtOH和L-H后,MB降解率分别从98.1%降低到77.3%和79.0%。考虑到Co3O4-CeO2@h-C-1对MB的吸附率较高(58.9%),可以判定SO4–和1O2是体系中起主要作用的ROS[8,13]。根据上述结果,提出了Co3O4-CeO2@h-C-1体系降解MB的催化机理,如图8所示。催化剂表面的Co(Ⅱ)/Ce(Ⅲ)可与PMS反应生成SO4–(式(2)),Co(Ⅲ)/Ce(Ⅳ)同时也可以被还原再生为Co(Ⅱ)/Ce(Ⅲ)(式(3)),完成催化循环[3-4]。催化剂中的Ov等缺陷有利于促进PMS分子吸附,Ov的富电子特性也可促进Co(Ⅲ)/Ce(Ⅳ)与Co(Ⅱ)/Ce(Ⅲ)之间的氧化还原循环。
此过程中,所形成的SO—会进一步与H2O反应,生
成少量·OH(式(4))和O–(式(5)、(6))。另一方面,
PMS通过自身分解,或者夺取Ov的电子均可生成1O2(式(7)—(9))。最终,反应生成的ROS(主要为1O2和SO4–)将MB分子氧化降解[19-20]。


图8Co3O4-CeO2@h-C-1催化活化PMS降解MB的反应机理图
3 结语
本综合实验融合了溶剂热法、溶胶凝胶法和模板法,成功制备出具有“核壳”与“摇铃”结构的碳包覆Co3O4-CeO2复合材料。通过TEM、SEM、FTIR、N2吸附-解吸附实验等测试手段对材料进行了表征。催化实验结果表明,具有“摇铃”型结构的材料的催化性能明显优于“核壳”型材料。其中,“间隙”较小且比表面积最大的Co3O4-CeO2@h-C-1对MB的吸附率高达58.9%,并在反应2min后,可去除85.4%的MB。通过对实验结果的综合分析,可以引导学生理解材料结构与性能之间的联系。该实验跨越了化学、材料科学、环境科学等多个学科领域,不仅使学生掌握了先进的综合实验技能,还有助于培养他们的自主创新意识和科学思维能力,为学生将来投身科研工作奠定基础。
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