掺杂型三维多孔纳米镍催化偶氮染料脱色性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230276

摘要/Abstract

摘要：

偶氮染料是纺织印染工业废水中的主要污染物，其大量排放会严重危害生物健康。为了开发一类有效的纳米催化剂对废水中的偶氮染料进行脱色，本文采用简单的水热合成法将Fe、Co元素掺杂到镍纳米材料中形成了具有三维网状多孔结构的三元金属纳米材料（Fe-Co-Ni NPs）。所制备的三元合金纳米材料为三维网状结构，少量的Fe、Co元素掺杂获得了更高的饱和磁化率，而未改变镍的多晶结构。在硼氢化钠存在条件下，由于多种金属元素之间的相互作用，Fe-Co-Ni NPs对刚果红的还原降解具有非常高的催化活性，2 min即可完全脱色，表观速率常数为1.24 min^-1，明显优于二元Fe-Ni（1.00 min^-1）、Co-Ni（0.96 min^-1）及单金属Ni（0.83 min^-1）纳米晶。 Fe-Co-Ni NPs对其它偶氮染料甲基橙、直接红80及硝基苯酚类物质的还原降解也表现出较佳的催化性能。总之，该三元金属催化剂易于合成、成本低，对偶氮染料脱色效果好、稳定性高且可重复使用，非常适合工业偶氮废水的前期脱色处理。

关键词: 三元镍基催化剂, 催化还原, 偶氮染料, 硼氢化钠, 刚果红

Abstract:

Azo dyes are the main pollutants in textile printing and dyeing industrial wastewater， and their large discharge will seriously endanger the health of organisms. To develop effective catalysts for the decolorization of azo dyes in wastewater， Fe， Co dual-doped Ni ternary metal nanocrystalline is synthesized by a simple hydrothermal method with a three-dimensional network porous structure， named as Fe-Co-Ni NPs. The results show that the prepared ternary alloy nanomaterials have a three-dimensional network structure， and a small amount of Fe and Co doping could obtain higher saturation magnetic susceptibility without changing the polycrystalline structure of nickel. In the presence of sodium borohydride， Fe-Co-Ni NPs have prominent catalytic activity for Congo red reduction due to the synergistic effect of various metal elements. Congo red can be completely decolorized by Fe-Co-Ni NPs in 2 min with an apparent rate constant of 1.24 min^-1， significantly better than binary Fe-Ni （1.00 min^-1）， Co-Ni （0.96 min^-1） and single metal Ni （0.83 min^-1） nanocrystals. Fe-Co-Ni NPs also show good catalytic performances for the reductive degradation of other azo dyes （such as methyl orange and direct red 80） and nitrophenols. This ternary metal catalyst is very suitable for early decolorization treatment of industrial azo wastewater due to ease of synthesis， low cost， good decolorization effect on azo dyes， high stability and reusability.

Key words: Ternary nickel-based catalyst, Catalytic reduction, Azo dye, Sodium borohydride, Congo red

中图分类号:

O643

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图/表 9

图1 Fe-Co-Ni NPs（A）SEM、（B）TEM、（C）SAED和（D）HRTEM图像

Fig.1 （A） SEM，（B） TEM，（C） SAED and （D） HRTEM images of as-prepared Fe-Co-Ni NPs

图2 镍基纳米粒子的结构及性能表征：（A）XRD图；（B）磁滞回线

Fig.2 Characterizations of structures and properties of as-prepared Ni-based nanoparticles：（A） XRD pattern；（B） Hysteresis loop

图3 Fe-Co-Ni NPs 的XPS谱图：（A）全谱；（B）Ni2p

Fig.3 XPS spectrum of Fe-Co-Ni NPs：（A） Survey scan；（B） Ni2p

图4 镍基催化剂催化CR还原的紫外可见吸收光谱图，内插图为497 nm处CR归一化浓度随时间的变化曲线A.Fe-Co-Ni； B.Co-Ni； C.Fe-Ni； D.Ni

Fig.4 UV spectra of catalytic reduction of various Ni-based catalysts towards CR， the inner inset is the corresponding normalized concentration versus time curves at 497 nm

图5 镍基催化剂催化CR还原的一级动力学性能A.Kinetic curves； B.The corresponding apparent rate constants histogram

Fig.5 Catalytic reduction kinetic performances of various Ni-based catalysts towards CR

表1 不同金属催化剂对CR催化还原的性能比较

Table 1 Comparison of catalytic reduction performances of various metal catalysts towards CR

Catalysts	Dyes	k_app	Ref.
Ag/Ni-P（NMA-Maa）	CR	0.486 min^-1	［19］
Pd-Ni （Mesoporous silica）	CR	1.9±0.2×10^-2 s^-1 （（1.14±0.12） min^-1）	［18］
SPION@LT-Cu⁰	CR	0.200 min^-1	［22］
Au Nps	CR	2.43×10^-3 s^-1 （0.146 min^-1）	［23］
Cu-Ni/GP	CR	3.8×10^-3 s^-1 （0.228 min^-1）	［24］
Co _x Ni_1-_x Fe₂O₄	CR	0.025 9 min^-1	［25］
Fe-Co-Ni NPs	CR	1.24 min^-1	In this work

图6 Fe-Co-Ni NPs催化剂对CR催化还原的循环稳定性

Fig.6 The cycle catalytic stability of Fe-Co-Ni NPs catalyst for congo red reduction reaction

图7 Fe-Co-Ni NPs催化剂催化不同有机污染物还原的紫外可见吸收光谱图，内插图为相应的归一化浓度随时间的变化曲线A.MO； B.DR80； C.2-NP； D.3-NP； E.4-NP； F.The corresponding apparent rate constants histogram

Fig.7 UV spectrum of catalytic reduction of various Fe-Co-Ni NPs catalysts towards different organic pollutants， and the inner insets are the corresponding normalized concentration versus time curves

图8 Fe-Co-Ni NPs催化NaBH4还原有机污染物示意图

Fig.8 Schematic of catalytic reduction of organic pollutants by NaBH4 over Fe-Co-Ni NPs

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