ZnFe?O?/聚(St-DVB)HIPE纳米复合材料通过PMS激活实现甲基橙的催化降解

过硫酸盐活化磁性纳米颗粒用于高效降解甲基橙，通过共沉淀法制备ZnFe?O?纳米颗粒并负载于聚(St-DVB)高内相乳液（HIPE）中，形成多孔磁性复合材料，比表面积达493.4 m2/g，30分钟内降解率达93%，活性位点暴露和团聚抑制显著提升催化性能和循环稳定性。

　　

Hikmet Beyza Aksoy | Sevil ?etinkaya

基里卡莱大学，化学系，71450 Yahsihan，基里卡莱，土耳其

摘要

由于具有磁性、表面活性位点和强氧化潜力，尖晶石铁氧体在过一硫酸盐（PMS）活化方面受到了广泛关注。其中，ZnFe₂O₄纳米颗粒（NPs）因其窄带隙（Eg～ 2.0 eV）而成为特别有效的催化剂，这些纳米颗粒还具有化学稳定性、宽pH适用范围、易于分离以及锌离子低毒性的特点。然而，它们的高表面能和小粒径常常导致聚集和沉淀，从而降低催化性能和可重复使用性。在这项研究中，开发了一种具有催化活性、稳定性、多孔性、高表面积且可重复使用的磁性ZnFe₂O₄/聚（苯乙烯-二乙烯基苯）高内相乳液（ZnFe₂O₄/ poly(St-DVB)HIPE）纳米复合材料，用于PMS活化。ZnFe₂O₄ NPs通过共沉淀法合成并掺入HIPE中，制备出Pickering聚HIPEs。与纯ZnFe₂O₄ NPs相比，所合成的ZnFe₂O₄/poly(St–DVB)HIPE纳米复合材料表现出显著提升的催化性能，在30分钟内实现了93%的甲基橙（MO）降解率，反应速率为0.0670 min?1。这一改进归因于ZnFe₂O₄ NPs（约12 nm）在互连的多孔聚合物结构中的均匀固定，有效抑制了纳米颗粒聚集并提高了活性位点的可及性。此外，该磁性纳米复合材料具有良好的结构稳定性和可重复使用性，在多次催化循环中仍保持高MO降解效率。这些结果表明，ZnFe₂O₄/poly(St–DVB)HIPE纳米复合材料是水体系中PMS介导的有机污染物氧化降解的高效且可重复使用的催化剂。

章节摘录

引言

工业发展已成为水污染的主要来源，尤其是在纺织、皮革、塑料、涂料、纸张和制药等行业。这些行业排放的废水中通常含有有机染料、颜料、难以生物降解的药物和重金属离子[1]。目前，这些行业大约使用了3000种不同的偶氮染料[2]。染料还应用于农业研究、光捕获系统等。

材料

三氯化铁六水合物（FeCl₃·6H₂O，97%）、氢氧化钠（NaOH，≥98%）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，≥99%）、乙醇（EtOH，≥99%）、山梨醇单月桂酸酯（Span 20）、甲醇（MeOH，99.8%）、氯化钙二水合物（CaCl₂·2H₂O，≥99%）、十二烷基苯磺酸钠（DDBSS）、氯化锌（ZnCl₂，≥98%）、二乙烯基苯（DVB，含乙基苯乙烯，80%）、过硫酸钾（K₂S₂O₈，≥99%）、1,2-二氯苯（≥99%）和苯乙烯（St，≥99%）均购自Sigma-Aldrich。

ZnFe₂O₄和ZnFe₂O₄/poly(St-DVB)HIPE纳米复合材料的表征

使用X射线衍射（XRD）光谱分析了合成样品的晶体结构。纯ZnFe₂O₄和ZnFe₂O₄/poly(St-DVB)HIPE纳米复合材料的XRD图谱如图1所示。在2θ = 18.28°、30.01°、35.33°、36.98°、42.91°、53.20°、56.71°、62.25°、70.59°、73.57°、78.51°、86.10°和89.14°处观察到的衍射峰对应于ZnFe₂O₄的特征尖晶石铁氧体晶相，分别对应于（111）、（220）、（311）、（222）、（400）、（422）晶面。

结论

本研究成功开发了一种多孔且可磁回收的ZnFe₂O₄/聚（苯乙烯-二乙烯基苯）HIPE纳米复合材料（BET～493.4 m²/g），并将其证明为PMS活化催化降解甲基橙（MO）的有效异相催化剂。尖晶石铁氧体ZnFe₂O₄ NPs在互连的聚HIPE框架中的固定有效地抑制了纳米颗粒聚集，增加了可接触的表面积，并提供了明确的多孔结构。

作者贡献

Hikmet Beyza Aksoy：进行实验；分析和解释数据。 Sevil ?etinkaya：构思和设计实验；分析和解释数据；提供试剂、材料、分析工具或数据；撰写论文。

资金来源

本研究得到了基里卡莱大学科学研究项目协调单位（土耳其）（项目编号：2023/135）的支持。

CRediT作者贡献声明

Hikmet Beyza Aksoy：可视化、研究、数据分析、数据管理。 Sevil ?etinkaya：写作——审阅与编辑、初稿撰写、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论研究、资金获取、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢基里卡莱大学科学研究项目协调单位（土耳其）（项目编号：2023/135）对本研究的财务支持。