Fe3O4基復(fù)合材料去除重金屬離子的機(jī)制研究.pdf

1、環(huán)境水體中的重金屬污染給人類。納米Fe3O4具有較大的比表面積、原健康和社會發(fā)展帶來了嚴(yán)重危害子配位不足、較好的生物相容性、具有磁性容易分離的特性，已經(jīng)被廣泛地用于去除水中污染物。本論文設(shè)計合成Fe3O4為基質(zhì)的復(fù)合納米材料，采用基于密度泛函理論的第一性原理方法研究Fe3O4、Fe3O4/TiO2復(fù)合納米材料的幾何和電子結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)及其性能。包括以下內(nèi)容:
　　1、采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，構(gòu)建Fe3O4立方體相以及

2、缺失氧的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能量計算，對其能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度以及有效電子質(zhì)量進(jìn)行分析和探討，探討其光生空穴-電子的復(fù)合機(jī)制和結(jié)構(gòu)性能。電子和空穴的有效質(zhì)量的比值大小決定了其重組率。比值越大，則重組率越低。Fe3O4體相的有效質(zhì)量比值為1.810，缺失氧的為7.368，表明其電子-空穴的分離率較高，化學(xué)活性比較活潑。
　　2、對Fe3O4(111)、(001)、(110)、(100)面的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化計算和結(jié)果分析，分別討論各個

3、面的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、有效電子質(zhì)量及表面性質(zhì)。Fe304(111)、(001)、(110)、(100)面電子和空穴的有效電子質(zhì)量的比值分別為2.435、0.1867、0.9587、0.631，由此可知Fe3O4(111)面的電子和空穴的重組率最低，因此具有良好的光催化性能。同時在Fe3O4(111)面兩個不同的氧位點(diǎn)（橋氧和端氧）上吸附鈷原子和水分子，通過對不同吸附體系吸附能的計算，發(fā)現(xiàn)Fe3O4(111)面上的兩個不同的氧位點(diǎn)的吸附能

4、都比較高。
　　3、以層狀結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建Fe3O4/TiO2結(jié)構(gòu)模型，對復(fù)合納米材料的幾何和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論研究，通過對能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、有效電子質(zhì)量及其光生空穴-電子的復(fù)合率，探討其性能。采用水熱法合成Fe3O4/TiO2復(fù)合納米材料，探究其對水體中Cr(Ⅵ)的去除效果。其中在25℃，F(xiàn)e3O4/TiO2摩爾比為1∶2時，F(xiàn)e3O4/TiO2復(fù)合納米材料對含Cr(Ⅵ)濃度為50 mg/L水溶液的吸附效果最佳，4小時后基本達(dá)到吸附

5、平衡，吸附率可達(dá)60％左右。
　　4、此外，還探討了WO3的電子結(jié)構(gòu)和表面性能，進(jìn)行了能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和有效電子質(zhì)量的模擬計算，對WO3吸附十二種原子后的吸附體系進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明，WO3價帶頂主要是由O2p態(tài)電子構(gòu)成，導(dǎo)帶底主要是由W5d態(tài)電子構(gòu)成。當(dāng)價帶頂上的O2p電子吸收能量后可躍遷至導(dǎo)帶底的W5d軌道上，同時在O2p上產(chǎn)生空穴。其有效電子質(zhì)量的比值為1.35，表明其電子-空穴的分離率較高，光催化活性較強(qiáng)。探討了WO3