Fe-Mn共掺杂TiO2协同催化臭氧高效降解双酚A的机理与优化研究

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Enhanced ozonation of bisphenol a via Fe-Mn co-doped TiO 2: synergistic mechanism, and parameter optimization

本文系统研究了通过浸渍法合成Fe-Mn/TiO2催化剂，用于强化臭氧（O3）降解双酚A（BPA）。该催化剂不仅提升了吸附能力和催化臭氧活性，且循环5次后降解率仅降低8.07%。研究揭示了Fe-Mn协同作用优化微观结构、富集路易斯（Lewis）酸位点、增强电子转移和氧化还原性能的机理。通过响应面法（RSM）和反向传播（BP）神经网络模型（R2分别为0.8519和0.9780）成功模拟预测降解过程，在优化参数下60分钟内BPA降解率达98.08%，证实了·OH主导的自由基和非自由基机制共同作用，为设计高效稳定钛基催化材料提供了理论基础。

　　

Highlights

Chemicals and materials

本研究使用的所有化学品均为分析纯。硫酸铁 (Fe₂(SO₄)₃)、硫酸锰 (MnSO₄)、碘化钾 (KI)、氢氧化钠 (NaOH)、硫酸 (H₂SO₄)、硫代硫酸钠 (Na₂S₂O₃)、叔丁醇 (TBA) 和磷酸氢二钠 (Na₂HPO₄) 均购自 Chron Chemicals（中国）。二氧化钛 (TiO₂) 由福建紫金创新应用材料有限公司（中国）提供。双酚 A (BPA) 购自西亚试剂（中国）。

Preparation of catalysts

Catalytic performance of Fe-Mn/TiO₂ under different Mn/Fe loading

活性位点的分布和催化剂的催化效率可能受到不同金属负载比的影响。因此，我们评估了锰铁负载比分别为1:1、1:2、1:3、2:1和3:1的催化剂。图1 (a) 和 (b) 表明，鉴于催化剂的吸附能力相对较弱，BPA的去除主要由氧化作用驱动。具有不同锰铁负载比的Fe-Mn/TiO₂对BPA的去除效率比单独臭氧氧化提高了1.5至2.8倍。

Conclusion

本研究考察了Fe-Mn/TiO₂在促进催化臭氧氧化以深度降解BPA方面的有效性。对Fe-Mn/TiO₂的性能评估表明，最佳的Fe/Mn负载比为1:3，这不仅赋予材料优异的吸附和催化效率，而且确保了显著的稳定性。一系列表征结果证实，与Fe/TiO₂、Mn/TiO₂和纯TiO₂相比，Fe-Mn/TiO₂表现出优化的孔结构、增加的比表面积、增强的氧化还原性能以及更有效的电子转移循环，这得益于Fe和Mn物种之间的协同效应。RSM和BP神经网络模型都成功地模拟和预测了BPA的降解过程，其中BP神经网络表现出更高的预测精度（R² = 0.9780）。在优化的操作参数下，60分钟内BPA降解率达到98.08%。机理研究表明，BPA的降解涉及·OH主导的自由基途径和表面反应主导的非自由基途径。这项工作证实了Fe-Mn/TiO₂催化臭氧化在高效降解BPA方面的潜在应用前景，并为设计高效稳定的钛基催化材料提供了坚实的理论基础。