表面水热碳层对磁性NiFe2O4八面体光催化活性的影响

doi:10.7503/cjcu20220472

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (11): 20220472.doi: 10.7503/cjcu20220472

表面水热碳层对磁性NiFe₂O₄八面体光催化活性的影响

郭彪¹, 赵晨灿¹, 刘芯辛¹(), 于洲¹, 周丽景¹, 袁宏明², 赵震¹()

^1.沈阳师范大学化学化工学院, 沈阳 110034
^2.吉林大学化学学院, 无机合成与制备化学国家重点实验室, 长春 130012

收稿日期:2022-07-11 出版日期:2022-11-10 发布日期:2022-08-12
通讯作者: 刘芯辛,赵震 E-mail:liuxinxin1114@163.com;zhenzhao@cup.edu.cn
基金资助:
辽宁省教育厅科学研究经费项目(LQN201909);辽宁省自然科学基金(2019-ZD-0481);吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室开放课题(2020-32)

Effects of Surface Hydrothermal Carbon Layer on the Photocatalytic Activity of Magnetic NiFe₂O₄ Octahedron

GUO Biao¹, ZHAO Chencan¹, LIU Xinxin¹(), YU Zhou¹, ZHOU Lijing¹, YUAN Hongming², ZHAO Zhen¹()

^1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Shenyang Normal University，Shenyang 110034，China
^2.State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry，College of Chemistry，Jilin University，Changchun 130012，China

Received:2022-07-11 Online:2022-11-10 Published:2022-08-12
Contact: LIU Xinxin,ZHAO Zhen E-mail:liuxinxin1114@163.com;zhenzhao@cup.edu.cn
Supported by:
the Project of Education Office of Liaoning Province, China(LQN201909);the Natural Science Foundation of Liaoning Province, China(2019-ZD-0481);the Open Project of State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry, China(2020-32)

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摘要/Abstract

摘要：

采用葡萄糖水热碳化法合成了一系列碳层包覆的NiFe₂O₄核壳八面体(NiFe₂O₄@C). 通过调控葡萄糖的含量可以有效控制NiFe₂O₄表面包覆的碳层厚度. 利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Roman)、 X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等对NiFe₂O₄@C的组成、结构、形貌和光学性能进行了表征. 考察了表面水热碳层对NiFe₂O₄光催化降解亚甲基蓝(MB)性能的影响. 结果表明, NiFe₂O₄的光催化活性很大程度上依赖于在其表面包覆的碳层厚度, 碳层厚度为5.5 nm的NiFe₂O₄@C-3展现了最佳的光催化活性. 荧光光谱(PL)、瞬态光电流和电化学阻抗谱(EIS)表征结果证明, NiFe₂O₄@C的光催化性能的提升归因于在NiFe₂O₄核和碳壳之间形成了异质结, 有效地促进了光生载流子的传输和分离效率. NiFe₂O₄@C复合材料展现了较好的稳定性和可回收性, 在污水处理方面有很大的应用潜力.

关键词: 磁性, 铁酸镍, 碳包覆, 核壳结构, 光催化

Abstract:

A series of magnetic carbon-coated NiFe₂O₄ core-shell octahedron（NiFe₂O₄@C） was synthesized by hydrothermal carbonization of glucose. The thickness of carbon layer on the NiFe₂O₄ surface could be precisely tuned by controlling the content of glucose. The composition， structure， morphology and optical properties of NiFe₂O₄@C composites were characterized by X-ray diffraction（XRD）， Raman spectroscopy（Roman）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）， scanning electron microscopy（SEM）， transmission electron microscopy（TEM） and UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy（UV-Vis DRS）. The photocatalytic performance for the MB-degradation of various NiFe₂O₄@C were explored. It is found that the photocatalytic activity strongly depended on the thickness of carbon layer on the surface of NiFe₂O₄. The NiFe₂O₄@C-3 with 5.5 nm carbon layer is endowed with the best photocatalytic performance for the MB photodegradation. Fluorescence spectroscopy（PL）， transient photocurrent and electrochemical impedance spectroscopy（EIS） results show that the improvement of photocatalytic performance can be attributed to the formation of the heterojunction between the NiFe₂O₄ core and carbon shell， which effectively promotes the transmission and separation of photo-generated carriers. In addition， NiFe₂O₄@C possesses relatively high stability and retrievability， indicating that NiFe₂O₄@C has great potential for applications in sewage treatment.

Key words: Magnetism, NiFe₂O₄, Carbon coating, Core-shell structure, Photocatalysis

中图分类号:

O643

TrendMD:

郭彪, 赵晨灿, 刘芯辛, 于洲, 周丽景, 袁宏明, 赵震. 表面水热碳层对磁性NiFe₂O₄八面体光催化活性的影响. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220472.

GUO Biao, ZHAO Chencan, LIU Xinxin, YU Zhou, ZHOU Lijing, YUAN Hongming, ZHAO Zhen. Effects of Surface Hydrothermal Carbon Layer on the Photocatalytic Activity of Magnetic NiFe₂O₄ Octahedron. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220472.

图/表 10

Fig.1 XRD patterns(A) and Raman spectra(B) of NiFe2O4 and NiFe2O4@C composites

Fig.2 XPS spectra of Ni2p (A), Fe2p (B), O1s (C) and C1s (D) for the NiFe2O4@C?3

Fig.3 SEM images of NiFe2O4(A), NiFe2O4@C?1(B), NiFe2O4@C?3(C) and NiFe2O4@C?9(D)

Fig.4 TEM(A, C, E, G, I) and HRTEM(B, D, F, H) images of NiFe2O4(A, B), NiFe2O4@C?1(C, D), NiFe2O4@C?3(E, F, I), NiFe2O4@C?9(G, H), and EDS element mapping images of Ni(J), Fe(K), O(L), C(M) of NiFe2O4@C?3

Fig.5 Thermogravimetric curve of the as?prepared NiFe2O4 and NiFe2O4@C composites

Fig.6 UV?Vis diffuse reflectance spectra of NiFe2O4 and NiFe2O4@C composites(A), plots of (ahv)2vs.hv of the NiFe2O4 and NiFe2O4@C composites(B)

Fig.7 Photocatalytic degradation curves(A) and the reaction rate contrast(k)(B) for MB degradation by pure NiFe2O4, NiFe2O4@C composites and NiFe2O4+C mixturea. Blank； b. NiFe2O4； c. NiFe2O4@C-1； d. NiFe2O4@C-3； e. NiFe2O4@C-9； f. NiFe2O4+C.

Fig.8 PL spectra(excited at 325 nm)(A), photocurrent response(B) and Nyquist plots(C) of pure NiFe2O4 and NiFe2O4@C composites

Fig.9 Trapping experiments of active species during the photocatalytic degradation of MB over NiFe2O4@C?3

Fig.10 Possible mechanism of photocatalytic degradation MB by NiFe2O4@C?3 composite under light irradiation

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表面水热碳层对磁性NiFe₂O₄八面体光催化活性的影响

Effects of Surface Hydrothermal Carbon Layer on the Photocatalytic Activity of Magnetic NiFe₂O₄ Octahedron

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