Fe3O4/CeO2复合材料的组装机制及其催化类Fenton反应性能研究

Fenton oxidation method is one of the most potential advanced oxidation processes which can be used to treat non-biodegradable organic pollutants. Magnetite (Fe3O4) has been a research focus as heterogeneous Fenton catalyst due to its advantages such as high catalytic activity and easy to separate and recycle. However, the nanosized magnetic catalysts could agglomerate during operation, leading to catalytic activity loss. This project intends to construct Fe3O4/CeO2 composite materials with hollow and porous structures by combining non-magnetic CeO2 with Fe3O4 in order to improve the catalytic activity and stability. We plan to control the assembly manner of Fe3O4 and CeO2 and the composition and microstructure of composites by tuning the parameters of solution reaction (solvothermal, precipitation, etc.), and then study the catalytic activity and stability of composite materials as a catalyst in Fenton-like reaction for the degradation of organic pollutants (such as phenol, azo dyes, etc.). This project is expected to reveal the assembly mechanism of Fe3O4 and CeO2 on the nanoscale, and to clarify the correlation among the composition, the microstructure and the catalytic activity and stability of the catalyst. The research achievements will be of important significance for constructing hollow porous oxide composite materials, and also will provide scientific basis for designing more efficient and stable heterogenous Fenton catalysts.

Fenton氧化法是一种极具发展潜力的处理难生物降解有机污染物的高级氧化技术。磁铁矿（Fe3O4）由于具有催化活性高、易于回收利用等优点，成为异相Fenton催化剂的研究热点，但是磁性纳米粒子在操作过程中容易团聚，导致催化活性降低。本项目拟将非磁性的CeO2与Fe3O4复合，构筑中空多孔结构的Fe3O4/CeO2复合材料以提高催化活性和稳定性。拟利用溶剂热、沉淀等液相法通过改变反应参数调控Fe3O4和CeO2纳米颗粒的组装形式以及复合物的组成和微观结构，研究复合材料在类Fenton反应中催化降解有机污染物（如苯酚、偶氮染料等）的催化活性和稳定性。项目预期将揭示Fe3O4和CeO2在纳米尺度上的组装机制，阐明催化剂的组成、微观结构对催化活性和稳定性的影响规律。项目的研究成果对于中空多孔结构氧化物复合材料的构筑具有重要意义，可以为设计高效、稳定的异相Fenton催化剂提供科学依据。

Fenton氧化法是一种极具发展潜力的处理难降解有机污染物的高级氧化技术。磁铁矿（Fe3O4）由于具有催化活性高、易于回收利用等优点，成为异相Fenton催化剂的研究热点。异相Fenton催化剂解决了均相Fenton反应中存在的一些问题，但是仍存在催化剂的活性低、活性金属组分易溶出等问题。本项目针对Fe3O4作为异相Fenton催化剂存在的不足，开展了Fe3O4基复合材料的组成与结构设计、Fenton反应性能评价和催化剂的构效关系研究。主要包括：1）Fe-Ce、Fe-Cu复合物的组成、微观结构、表面特性的设计与调控；2）以偶氮染料和苯酚为模型污染物进行复合材料的异相Fenton催化性能评价；3）通过XRD、TEM、氮气物理吸附、TG、XPS、ICP、Raman等手段对催化剂的组成、结构进行表征，结合材料的Fenton催化性能，研究材料的组成、结构与催化性能之间的关系；4）复合物在Fenton反应体系中的催化机理研究。研究发现，Fe3O4与Ce、Cu复合后其催化活性有明显提高，提高程度与两种金属组分比例、材料的微观结构密切相关，不同金属比例影响材料的形貌、颗粒尺寸、表面特性、活性组分的分散度等。将Fe活性组分负载在介孔CeO2上可以显著提高催化剂的稳定性，减少金属流失。总体来讲，通过本项目的研究，提出了多种制备金属氧化物复合物的简便化学方法，揭示了调控材料微观结构的化学反应机制，阐明了催化剂的组成、结构对催化活性和稳定性的影响规律，开发了Fe3O4/CeO2、Fe3O4/CeCO3OH、Fe3O4/C/Cu2O等性能优异的复合物异相Fenton催化剂。本项目的研究结果已发表论文12篇。项目的研究成果对于金属氧化物复合材料的可控制备以及高效、稳定的异相Fenton催化剂的设计开发具有一定的参考价值。