a-Fe₂O₃/Ag/MnO₂復合催化體系的制備及光催化性能研究

【摘要】本研究主要聚焦于a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系的制備及其光催化性能的深入探究。通過濕化學法制備出a-Fe2O3，利用浸漬法將Ag和MnO2成功地引入到a-Fe2O3表面，構建出a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系。對其表面形貌、結構和性質等各方面的詳細分析，確認所制備的復合催化體系具有良好的結構和穩定性。在模擬陽光照射下，于a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系展現出了卓越的光催化性能，可以有效地降解有機污染物，如甲基橙等。與單一的a-Fe2O3，Ag或MnO2相比，復合催化體系的光催化性能更為出色，得益于Ag和MnO2的引入，提高了a-Fe2O3的光生電子-空穴對的分離效率和光吸收能力，使得a-Fe2O3/ Ag/MnO2復合催化體系在紅外光區域具有更強的吸收能力。以上研究成果可為無機-無機復合光催化體系的制備和性能優化提供有益的參考及應用。

【關鍵詞】a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系|濕化學法|浸漬法|光催化性能|有機污染物降解

隨著工業化和城市化進程的不斷加速，環境污染問題愈發凸顯，特別是水體中的有機污染物去除問題，已成為環境科學領域亟待解決的關鍵挑戰之一。光催化技術以其環保和高效的特性，在處理有機污染物方面展現出了巨大的潛力，當前常用的光催化材料，如TiO2和a-Fe2O3等，由于各自的性能限制，其光催化效率仍有待進一步提升，其多種材料構成的復合催化體系備受矚目。復合催化體系不僅綜合了單一催化劑的優點，而且在提升光生成電子-空穴對的分離效率和光吸收能力方面獨具優勢。聚焦于a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系的制備及其光催化性能的深入研究，旨在開發一種高效、穩定且可循環使用的光催化體系，為有機污染物的光催化處理提供有力支持。

一、a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系的制備

在現代環境治理的舞臺上，光催化性能的納米材料已經引起了人們的極大興趣[1]。其中，a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系便是此類材料中的佼佼者，因其出色的光催化性能，為有機污染物的處理提供了嶄新的解決方案。對于a-Fe2O3的制備，我們采用了濕化學法，主要包括共沉淀法和水熱法。在堿性環境中，Fe3+離子經過氧氣的氧化作用，轉化為a-Fe2O3粉末。這種濕化學法制備的a-Fe2O3，擁有高空隙率和大的比表面積，為后續的Ag和MnO2的負載提供了理想的條件[2]。對于Ag和MnO2的負載，我們則選擇了浸漬法。將a-Fe2O3粉末分散在含有AgNO3和Mn（NO3）2的溶液中，然后在一定的溫度和壓力下進行水熱反應。這種方法能確保Ag和MnO2在a-Fe2O3表面均勻分布。

二、a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系的表征分析

聚焦于a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系的表征分析，包括對其表面形貌與結構的細致觀察，性質的全面評估，以及穩定性的深入評價[3]。

針對催化體系的表面形貌和結構進行了詳細的分析。通過采用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等先進技術手段，我們對復合催化體系的微觀形貌進行了深入觀察[4]。結果顯示，a-Fe2O3/Ag/MnO2展現出了均勻的表面分布以及規整的二維層狀結構，這種結構特點預示著其在光的吸收與轉化方面將具有優越性能。此外，我們還利用X射線衍射（XRD）技術對催化體系的晶體結構進行了測定。結果表明，復合體系成功地融合了a-Fe2O3、Ag和MnO2各自的晶體形態，進一步驗證了復合催化體系的成功制備。其次，我們對催化體系的性質進行了全面的表征[5]。通過X射線光電子能譜（XPS）技術，我們對催化體系的表面元素及化學態進行了定性和定量的研究。表征結果顯示，鐵、銀、錳和氧等元素均存在于催化體系中，這與我們預期的復合體系元素組成完全一致。同時，我們還利用漫反射紫外-可見吸收光譜（DRUV-Vis）技術，對催化體系的光吸收性質和帶隙寬度進行了測定。結果顯示，該催化體系對可見光具有良好的吸收能力，這為進行高效的光催化反應提供了有利條件。最后，我們對催化體系的穩定性進行了深入的評價和分析。通過重復反應后，我們再次利用SEM、TEM、XRD和XPS等表征手段，對催化體系的形貌、結構和化學性質進行了系統的分析。在連續使用過程中，a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系的形貌、結構和化學性質均保持穩定，并未出現明顯的變化。這充分說明了該復合催化體系具有良好的穩定性。

三、a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系的光催化性能研究

我們針對復合催化體系對有機污染物的光催化性能進行了詳細探究[6]。以苯酚這一常見有機污染物為例，我們研究了在不同催化體系濃度、不同光源強度以及不同反應時間條件下的降解效果。實驗圖譜數據清晰地顯示，a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系能夠顯著提升光催化降解苯酚的速度。當催化體系的濃度在一定范圍內增加時，其降解效果也呈現出相應的提升。這一結果充分證明了該催化體系在光催化處理有機污染物方面的優異性能。其次，為了尋找提高光催化效率的有效途徑，我們重點關注了電子-空穴對的分離效率。通過采用時間分辨光致發光光譜以及光電化學測試等先進技術，我們深入揭示了該復合催化體系中電子-空穴對的分離和轉移過程[7]。實驗結果表明，Ag和MnO2的引入不僅有效引入了新的能級，還顯著促進了電子-空穴對的快速分離和遷移，從而進一步提升了光催化效率。我們還對該復合催化體系的紅外光吸收能力進行了深入研究。利用紅外光譜儀，我們觀察了在不同波長的紅外光照射下，復合催化體系的吸收情況。實驗結果顯示，a-Fe2O3/ Ag/MnO2復合催化體系對紅外光具有良好的吸收性能，這為其在光催化過程中發揮更好的效果提供了可能。

綜上所述，通過濕化學法和浸漬法制備的a-Fe2O3/Ag/ MnO2復合催化體系在光催化降解有機污染物方面表現出顯著的性能。該催化體系具有高效的電子-空穴對分離效率以及強大的紅外光吸收能力，使其在環保領域具有廣闊的應用前景。然而，對其穩定性和重復使用性等方面的研究仍然是必不可少的。我們相信，這種新型復合催化體系將為環保和能源領域帶來突破性的進展。

四、催化體系在環保領域的應用前景和優化建議

（一）a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系在環保領域的應用前景

隨著全球環境問題的日益嚴峻，人類對環保技術的需求愈來愈大。制備的a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系，以其獨特的性能，尤其是在光催化性能方面的顯著表現，展示出廣闊的應用前景。該復合催化體系具有良好的短波紅外光吸收能力，使其在利用太陽能方面具有巨大潛力，可以有效地將太陽能轉化為化學能。該復合催化體系可以有效地催化有機污染物的降解，對于環境污染治理以及有機廢水處理等領域具有廣闊的應用前景。另外，其獨特的復合結構和優越的穩定性使其在光催化應用過程中具有良好的耐用性，顯著提高了催化體系的實用性和經濟性。

（二）對無機-無機復合光催化體系制備和性能優化的建議

雖然a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系已經表現出良好的光催化性能，但仍存在許多優化的空間。采用濕化學法制備 a-Fe2O3和浸漬法加載Ag和MnO2的方法雖然簡便、可行，但在實際操作過程中可能會面臨一些問題，如制備過程中的溫度、時間控制，Ag和MnO2加載的量等，都可能影響到最終復合催化體系的性能。對于此，研究人員可以進行更多的參數優化實驗，通過動態研究找到最優的制備條件。可以嘗試增加材料的多樣性，例如在復合催化體系中加入其他的功能性材料，如TiO2、ZnO等，將增強復合催化體系的光催化性能。

五、結語

本研究的核心目標是研究a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系的制備技術，并深入探究其光催化性能。根據我們的實驗結果，這種復合催化體系展現出了卓越的光催化性能以及穩定性，對有機污染物的降解效果尤為顯著。特別是在光生電子-空穴對的分離效率和光吸收能力方面，Ag和MnO2的引入為我們開辟了新的研究方向。關于復合催化體系的穩定性和復用性，我們也需要深入揭示其內在機制，從而為進一步改善催化性能提供理論支撐。本研究為無機-無機復合光催化體系的制備與性能優化提供了寶貴的啟示。我們期待這種復合催化體系在環境保護領域能夠發揮更大的作用，為解決環境污染問題提供更為有效的技術手段。中國軍轉民

參考文獻

[1]郭亮亮，李文凱，范桂利a-Fe2O3/RGO復合物的制備以及光催化性能研究[J].涂層與防護，2022，43（06）.

[2]劉振興，梁超.ZnFe2O4-Fe2O3-Ag復合光催化劑的制備及光催化性能研究[J].大眾標準化，2019，0（16）.

[3]李國涵，丁建東，沈擁軍，蔡再生，景曉輝.Ag/MnO2的制備及其對甲醛的催化降解[J].染整技術，2019，41（07）.

[4]杜楊柳，賈少武，蘭蕾，李富強，彭葉燦，周敬紅，王雙飛.Fe3O4/MnO2納米復合材料光催化深度處理造紙廢水[J].工業水處理，2020，40（03）.

[5]張華，吳光銳.MnO2/MxOy復合金屬氧化物催化降解水中有機污染物的研究進展[J].化工管理，2019，0（18）.

[6]張磊.Fe3O4-MnO2復合材料催化降解水中有機污染物的研究進展[J].化工環保，2020，40（05）.

【課題：2021年湖南省教育廳科學研究課題（全光譜響應a-Fe2O3/Ag/MnO2復合催化體系制備及其光催化性能研究），課題號：21C1102；基金項目：2021度湖南省教育廳科學研究優秀青年項目（編號：21B0872）】

（作者簡介：羅躍中，湖南化工職業技術學院，本科/碩士，副教授，研究方向為微生物資源開發與應用；李忠英，湖南化工職業技術學院，碩士，講師，研究方向為應用化學；曾志云，湖南化工職業技術學院，碩士，講師，研究方向為生物化工）