氧化铈基铜催化剂的制备及其对草酸钠的降解性能

张葆逸; 高兴敏; 严珅; 王晓宁; 吴铎

doi:10.13732/j.issn.1008-5548.2025.05.009

摘要：[目的]草酸钠是一种具有代表性的难降解有机污染物,为了提高对水中草酸钠的降解率,制备具有多级孔结构的氧化铈基铜催化剂,研究氧化铈基铜催化剂的臭氧(O3)催化氧化机制,提高O3在溶液中的传质效率,加速O3的分解与转化.[方法]以NaCl为盐模板,以酚醛树脂(phenolic resin,PF)为定型剂,通过喷雾干燥法和辅助盐模板法制备氧化铈基铜催化剂,在同样的工艺条件下改变NaCl、PF的添加量制得不同氧化铈基铜催化剂样品;采用XRD谱图、SEM图像、孔径分布曲线和XPS图谱对各种样品进行表征;研究各种氧化铈基铜催化剂样品对水中草酸钠的降解率,确定具有最佳降解性能的样品;进行4次重复降解实验研究最佳样品的循环使用的稳定性,并探讨氧化铈基铜催化剂的O3催化氧化机制.[结果]随着NaCl加入量的增大,各种催化剂样品的粒径明显增大,而PF的加入量对粒径影响较小,对样品的孔结构和比表面积影响较大;当NaCl与PF的质量比为1∶1时,制得的样品Cu@CeO2-NaCl-PF的粒径约为35.3nm,介孔孔径为5～45 nm,大孔孔径约为3 000～25 000 nm,比表面积为52.15 m2/g,介孔体积、大孔体积、总孔体积分别为0.240、4.778、5.115 mL/g,所含的Cu0-Cu+、Ce3+的质量分数分别为67.1％、18.7％;在降解时间为45 min时,样品Cu@CeO2-NaCl-PF对水中草酸根的降解率达到100％;在降解时间为60 min时,第4次循环使用的样品Cu@CeO2-NaCl-PF对草酸根的降解率为95％,溶液中残留的Cu元素的质量浓度依次为0.23、0.27、0.34、0.37 mg/L;在加入浓度为1 mmol/L的叔丁醇作为溶液中羟基自由基的掩蔽剂后,降解时间为60 min时样品Cu@CeO2-NaCl-PF对草酸根的降解率为10％,羟基自由基是样品Cu@CeO2-NaCl-PF降解草酸根的主要活性氧.[结论]催化剂Cu@CeO2-NaCl-PF具有较大的比表面积、丰富的多级孔结构、高度分散的Cu活性位点以及较高含量的低价态金属离子,上述特性能加速气-液-固的三相传质过程,有助于O3在催化剂表面的富集,并提高O3转化的速率;催化剂Cu@CeO2-NaCl-PF具有较高的循环使用稳定性,可以加速O3分解生成羟基自由基.