天然闪锌矿可见光催化还原甲基橙的实验研究

本文研究了可见光下天然闪锌矿的光催化还原能力,通过可见光下天然闪锌矿对甲基橙的光催化降解实验讨论了天然闪锌矿晶格中的杂质缺陷、导带能级位置、光生空穴捕获剂和溶液pH值对可见光催化降解效率的影响。结果表明,在抗坏血酸做空穴捕获剂的条件下,经2 h的可见光催化实验,甲基橙能被天然闪锌矿完全还原降解。天然闪锌矿晶格中丰富的杂质缺陷在禁带中形成杂质能级,可将闪锌矿对光的响应拓展到可见光的波长范围。与天然金红石相比,闪锌矿对甲基橙的较强光催化还原降解效果与其导带电子更负的氧化还原电势有关。此外,空穴捕获剂和pH值的选择都是影响催化效果的关键因素。天然闪锌矿在可见光催化降解污染物领域颇有应用前景。     

天然闪锌矿矿物学特征与光催化性能

本文采集了我国19个产地的天然闪锌矿进行矿物学和光催化性能研究。样品皆为立方Zn S结构,化学成分变化较大,其中Fe对闪锌矿中Zn的替代范围为0.235%~14.826%(质量分数,下同),Cd对闪锌矿中Zn的替代范围为0.133%~1.576%。闪锌矿中Fe含量由低到高,导致颜色由浅变深直至呈黑色,半导体禁带宽度由大变小,估算获得天然闪锌矿的禁带宽度范围为3.18~2.28 e V,明显低于纯Zn S禁带宽度3.68 e V,光催化响应均在可见光范围。验证光催化实验结果表明含Fe较低、含Cd较高的天然闪锌矿可见光催化还原降解甲基橙的效果较佳,如可见光下1 g/L闪锌矿样品(含铁4.262%,含镉1.576%)对30 mg/L甲基橙催化反应4 h后的脱色降解率达到82.11%。天然闪锌矿中Fe含量影响着禁带宽度和光响应范围,Cd含量影响着光催化性能,为高附加值开发利用贱金属资源天然闪锌矿提供了科学依据。     

掺杂Fe、Cd闪锌矿电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对掺Fe和(或)Cd的闪锌矿型Zn S的电子结构进行了计算。计算结果表明,纯闪锌矿的禁带宽度为2.85 e V;掺Fe浓度为3.125%的闪锌矿禁带宽度为2.58 e V,且Fe的3d和S的3p轨道杂化在禁带中引入了两条杂质能级;随着掺Fe量的增加,杂质能级的宽度和峰高也随之增大;掺Cd闪锌矿的禁带宽度为2.68 e V,并在下价带底引入一条杂质能级;Fe/Cd共掺杂的闪锌矿禁带宽度为2.49 e V,在禁带中出现的两条施主杂质能级可提高闪锌矿的可见光响应及催化能力。计算结果为深入探讨天然闪锌矿的可见光催化机制提供了理论支持。     

天然闪锌矿可见光催化降解CCl_4实验研究

研究了天然闪锌矿可见光催化还原降解四氯化碳(CCl4)的能力,并系统探讨了光源、闪锌矿用量、电子供体和溶解氧对N,N-二甲基甲酰胺有机体系中CCl4降解效果的影响,获得了该光催化反应体系的最佳实验条件。在可见光下,闪锌矿用量为1g/L,电子供体为甲酸0.5mol/L,溶解氧含量为空气平衡时,经8h光照反应,CCl4降解率达91.48%。通过GC-MS对降解产物进行分析,提出了天然闪锌矿在改有机体系中可见光催化还原降解CCl4的机理。     

掺Fe和V的金红石电子结构的第一性原理计算研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对掺杂Fe和(或)V的金红石型TiO2的电子结构进行了计算。理论模拟的结果表明,纯金红石的禁带宽度为1.98 eV;Fe掺杂金红石型TiO2的禁带宽度为2.18 eV,由Fe3d和O2p轨道杂化在禁带中间形成了两条杂质能级;V掺杂金红石型TiO2的禁带宽度减小为1.80 eV,由V3d和O2p轨道杂化形成的杂质能级位于金红石的导带底,引入了一个浅施主能级;Fe和V共掺杂的金红石禁带中存在一个较宽的杂质能带,禁带宽度减小为1.73 eV。杂质能级的出现以及禁带宽度的减小使得Fe和V掺杂的金红石具有更好的可见光响应能力。同时,Fe和V的类质同像替代使得金红石中MO6八面体具有较大的畸变程度,有助于表面缺陷的增加,从而为光催化反应提供天然活性位。为进一步深入揭示含铁、钒等杂质的天然金红石的可见光催化机制提供了理论支持。     

天然含铁闪锌矿的可见光催化还原活性研究

通过电子探针(EMPA)、X射线光电子能谱(XPS)、漫反射谱(DRS)、光致发光谱(PL)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和霍尔效应(Hall-effect)等测试手段对天然闪锌矿样品的半导体物理化学性能进行了表征分析。分析结果认为,天然闪锌矿良好的可见光响应性能主要源自其晶格内丰富的类质同像替代离子。此外,样品中的变价元素Fe能够参与价带光生空穴的捕获,提高导带光生电子的利用率,从而提高其光催化活性。样品中丰富的缺陷也有利于光催化活性的提高,大量的解理面和裂开面能够提供较完整的晶面增加反应活性点位,空位缺陷和晶格膨胀畸变等可以提高光生电子空穴对的分离效率。与其特殊的物理化学性质相符,天然闪锌矿光催化还原降解甲基橙的实验证明了其较高的可见光催化还原活性。本研究结果也预示着天然半导体矿物闪锌矿作为一种新的低成本、高效率的可见光催化材料将在环境污染治理领域具有一定的应用前景。     

天然金红石可见光催化强化微生物还原作用的研究

天然金红石在400～700 nm可见光范围内表现出良好的光吸收特性并具有可见光催化活性。本研究利用双室反应器,将天然金红石可见光催化作用引入微生物原有的电子还原过程。利用电化学分析等手段,对天然金红石可见光催化条件下的还原反应进行研究。金红石光催化条件下,体系整体内阻下降23.5%,功率密度增加57.1%,体系反应效率得到提高;在（0.70±0.01）V（相对于饱和甘汞电极）处发生的微生物还原氧气的反应得以加强;同时反应极化内阻降低93.05%,表明在动力学层面上促进了原有反应的发生。研究证明,可见光下天然金红石的光催化作用强化了微生物对电子受体的还原能力。     

碱性长石中Fe^3＋在四面体位置间交换动力学的EPR研究

在加热条件下,利用EPR方法研究了碱性长石中不同四面体位置间的Fe~(3+)、Al~(3+)交换。低温钠长石和透长石晶体分别在水热,1 kbar,500—900℃和干加热,1050℃条件下加热。在低温钠长石中,加热后Fe~(3+)线被加宽,当温度为800℃时,除T_1(o)位置外,没有出现其余四面体位置Fe~(3+)产生的谱线。透长石在1050℃加热1300h后,T_1和T_2线的相对强度发生了变化。实验表明,在碱性长石中不同四面体间Fe~(3+)、Ak~(3+)和Fe~(3+)、Si~(4+)交换与Al~(3+)、Si~(4+)交换比较,前者速度要缓慢得多。     

天然可见光催化剂闪锌矿半导体电子结构的第一性原理计算

天然半导体矿物闪锌矿在自然界中储量丰富,具有优良的可见光催化性能,它们与日光及微生物的协同催化作用已经并且正缓慢修复着地球表层被污染的环境。天然产出的闪锌矿中存在以类质同象替代Zn的Fe、Cd和Ga等,对其电子结构产生一定的影响,继而影响天然闪锌矿的     

热处理改性天然闪锌矿的可见光催化性能研究

天然闪锌矿是一种具有良好可见光催化性能的半导体光催化剂,然而其结构缺陷会成为光生电子的捕获阱,导致其光催化反应效率降低。为了进一步提高其可见光催化效率,本文在空气气氛下对天然闪锌矿进行了500～1 200℃的热处理改性实验研究,并利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis DRS)对热改性后样品的半导体物理化学性质进行了初步的表征分析;然后以甲基橙为目标降解物进行了热处理样品的光催化实验研究。研究结果显示,空气气氛下的热处理随着温度的逐渐升高,闪锌矿物相先转变为氧化硫酸锌,再转变为红锌矿和锌铁尖晶石,到1 100～1 200℃时样品完全转变为红锌矿-锌铁尖晶石二元复合半导体光催化剂,此时样品在可见光下对甲基橙的降解率从原样的54.2%提高到99.7%,1 100～1 200℃改性后样品的可见光催化性能最好。     

微量元素对闪锌矿半导体性质制约机理

闪锌矿是一种重要的宽禁带半导体材料,具有优良的光、电和催化性能,在光学器件和光催化等领域有着广泛的应用前景。天然产出的闪锌矿中存在以类质同像替代Zn的Fe、Cd和Ga等微量元素,对其电子结构产生一定的影响,继而影响天然闪锌矿的半导体性质。同时闪锌矿中微量元素的种类、含量与分布受多种因素的影响,除了与闪锌矿本身的地球化学与晶体化学的性质相关,还受到成矿的地质环境、成矿的物理化学条件和成矿溶液离子浓度的影响。所以通过对不同成因类型的闪锌矿半导体性质的研究,可以得到闪锌矿中微量元素的特征,进而反映闪锌矿的成矿条件。对于寻找生命早期闪锌矿,解释半导体矿物光催化为生命起源提供能量提供可靠的证据。已有理论研究通过第一性原理的计算,得出了闪锌矿存在半导体和绝缘体两种类型。微量元素中,只有铜杂质使闪锌矿由直接带隙变为间接带隙,说明含铜的闪锌矿不宜作为光催化剂,铁、镓、锗、铟、锡和锑元素导致费米能级向高能方向移动且使闪锌矿的半导体类型由p型变成n型,这将增加电子密度且有利于电子跃迁,而锰、钴、铜、镉、汞、银和铅元素没有改变闪锌矿的半导体类型。本研究闪锌矿样品来自不同省份不同成因类型的典型矿床,结合半导体材料电阻率及其导电类型的测量方法、紫外可见光吸收光谱的方法和地球科学微量元素测量方法,通过实验对不同成因类型矿床中代表性闪锌矿的电阻率、吸收光谱、共生矿物组合、组构特征、微量元素的测量,建立闪锌矿矿石电阻率、吸收光谱与微量元素影响的定量关系及理论模型。探讨了闪锌矿电阻率、光谱吸收特征和矿床类型及地质产状的关系。闪锌矿中Fe元素含量越高,电阻率越小,可以形成空穴型导电(p型),因Fe元素进入闪锌矿晶格中要消耗能量,所以其形成温度大于绝缘体闪锌矿形成温度,黑色闪锌矿形成温度高。     

闪锌矿的Fe、Cd关系随其颜色变化而变化

闪锌矿是自然界常见的重要金属矿物,含有很多种杂质元素,其中Fe、Cd是闪锌矿最常见,也是最重要的杂质元素。普遍认为,闪锌矿中的Cd、Fe是类质同象取代了Zn。但是,笔者研究发现闪锌矿的Cd与Zn往往成正相关,与Fe呈负消长。说明闪锌矿的Cd类质同象置换主要不是Zn,而是Fe。而且,闪锌矿Cd与Fe的相关性随其颜色的改变而变化。深色闪锌矿的Cd与Fe呈负相关,褐色闪锌矿Cd与Fe既有负消长关系,又有正消长关系。浅色闪锌矿的Cd与Fe呈正相关的数量大增。暗色闪锌矿多形成于高温,Fe具有强烈置换Zn能力。随着形成温度下降,Fe交代Zn的能力不仅逐渐减弱,而且,闪锌矿晶格的Fe变得不稳定,而被释放出来,主要由Cd替代。浅色闪锌矿形成于低温,矿液结晶的后期。矿液中的Zn可能不能满足闪锌矿结晶对Zn的需求,就由离子参数相似的Cd2+和Fe2+替代。致使闪锌矿的Cd与Fe呈正相关,Cd和Fe与Zn负消长。     

天然闪锌矿光催化协同Acidithiobacillus ferrooxidans生长及抑制自身分解作用实验研究

对天然闪锌矿光催化协同下的Acidithiobacillus ferrooxidans生长,以及此过程中天然闪锌矿的光催化作用对其自身分解的影响进行了研究。结果表明,天然闪锌矿的光催化作用能够将光能以电子的形式转移给A.ferrooxidans并且促进了其生长,这一过程以Fe2＋/Fe3＋这一氧化还原对作为媒介;有光照组的A.ferrooxidans细胞浓度达到了8×108 cell/mL,而无光照和体系无电流的2组对照组A.ferrooxidans细胞浓度分别为6×108 cell/mL和4.95×108 cell/mL。通过电感耦合等离子体发射光谱仪测定3组不同条件实验体系中Zn2＋的溶出量可以发现,在光照条件下Zn2＋的溶出量只有3.5×10-6,而无光照条件下Zn2＋溶出量达到了5×10-6。天然闪锌矿光催化作用一方面可以促进A.ferrooxidans的生长,另一方面也能够抑制其自身的分解和金属离子向水体中的释放。研究结果为酸性矿山废水地区抑制硫化物矿物溶蚀提供了新的思路。     

两种类型天然紫色翡翠的致色机理

紫色翡翠是天然翡翠中的重要品种,具有很高的经济价值,其主要有2种类型,一种呈较纯的紫色,另一种为带有蓝色色调的紫色。为探究紫色翡翠的致色机理,除采用传统的谱学及化学成分分析外,本文重点采用电子顺磁共振(EPR)、X射线光电子能谱(XPS)等,对2种类型紫色翡翠致色机理、致色元素价态等进行深入研究。结果表明,2种类型紫色翡翠均为硬玉颗粒本身呈色。紫色样品致色与Mn有关(w(Mn O)=0.0035%～0.036%),紫外可见光吸收光谱具有由Mn导致的580 nm吸收带,电子顺磁共振分析显示其主要为Mn~(3+),而并非Mn~(2+)。蓝紫色翡翠由Fe、Ti元素联合致色(w(Fe O)=0.039%～0.25%;w(Ti O_2)=0.018%～0.17%),X射线光电子能谱分析显示其主要致色离子为Fe~(2+)、Fe~(3+)和Ti~(4+),认为蓝紫色翡翠为Fe~(2+)-Ti~(4+)和Fe~(2+)-Fe~(3+)电荷转移致色,由此导致紫外可见光吸收光谱中具530和610 nm的吸收带。     

氢气还原处理对天然金红石可见光吸收的影响机制

天然半导体矿物金红石因结构中含有类质同象替代杂质元素V和Fe,具有一定的可见光吸收和光催化活性。为改善金红石的日光光催化性能,在H2还原气氛下,对天然金红石粉末进行500～900℃不同温度的热处理改性研究。紫外-可见漫反射吸收光谱（UV-Vis diffuse reflectance absorption spectra）表明H2还原处理显著改善了金红石在可见光区460～750 nm波段的光吸收,其中900℃处理样品的光吸收提升最为明显。电子顺磁共振（EPR）和X射线光电子能谱（XPS）测试表明,随着还原温度升高,杂质元素V和Fe从高价态（V5＋,Fe3＋）向较低的价态（V4＋,V3＋,Fe2＋）转化,同时金红石表面的化学吸附水含量也有所增加。本文认为H2还原热处理引起的过渡金属元素价态的改变,尤其是较低氧化态V离子（V4＋和V3＋）的形成,可能是导致金红石样品可见光吸收显著增加的主要原因。     

酸性含Fe3+溶液作用下铀的溶解迁移特征

采用不同Fe~(3+)浓度的酸性溶液,对取自新疆伊犁盆地的砂岩铀矿石进行了溶浸对比试验,探讨了铀在酸性含Fe~(3+)溶液作用下的溶解迁移动力学特征及其与Fe~(3+)的关系。结果表明,在Fe~(3+)的氧化作用下,铀从矿石向溶液的迁移于10小时内快速达到平衡,溶解速度衰减迅速;铀的溶解速度与Fe~(3+)向Fe~(2+)转化速度呈正相关的指数函数关系,当Fe~(3+)向Fe~(2+)转化速度趋近零时,铀的氧化溶解基本停止,溶液中的铀达到平衡浓度;Fe~(3+)向Fe~(2+)浓度达到2g/L可使铀强烈溶解迁移,而溶液酸度增高会弱化铀溶解速度与Fe~(3+)转换速度的关系,但酸度在2g/L~4g/L(对应pH值1.65~1.33)之间变化不会对铀的浸出产生显著影响;保持Fe~(3+)浓度为2g/L、酸度为2g/L(pH值1.65)的水化学条件对铀的溶浸是经济且足够有效的。     

天然闪锌矿原位高温X射线衍射研究

对天然闪锌矿进行了原位高温X射线衍射实验研究,结果表明：闪锌矿受热膨胀,27～675℃温度范围内其膨胀系数为25.61×10-6℃-1;随着温度的升高,在543℃时产生中间物相Zn3O（SO4）2,并分解产生红锌矿ZnO;在797℃时中间物相完全消失,同时出现尖晶石结构的ZnFe2O4;加热至1160℃时的产物为ZnO和ZnFe2O4。实验表明,天然闪锌矿的热改性可产生一定比例的红锌矿（ZnO）,其与闪锌矿一起形成二元复合半导体。在光的激发下,该半导体体系产生的光生载流子由一种半导体注入另一种半导体,降低了光生电子-空穴对的复合几率,提高其光催化活性。本文的研究可为热改性提高天然闪锌矿光催化活性提供理论依据。     

热处理低温钠长石的EPR和X射线衍射研究

利用电子顺磁共振(EPR)和X射线衍射方法研究了天然和热处理钠长石单晶。热处理在500—850℃水热条件下完成。在外加磁场B平行于晶体c~*轴的方向上,测量了加热前后Fe~(3+)的EPR谱和线宽△B随温度和加热时间的变化。结果显示,线宽随Al、Si无序的增大而增加。由此得出结论,在低温钠长石中,Fe~(3+)位于Al~(3+)占据的T_1(o)位置,在被研究的温度范围内,Fe~(3+)未参与四面体位置T间Al、Si交换。谱线的加宽主要是由在Fe~(3+)邻近位置上Al、Si无序的增大引起的,同时与观测到的晶胞参数变化有关。在Al、Si无序更强的晶体中,Fe~(3+)谱变得极宽。     

高放处置罐铁释放诱发膨润土矿物相变研究进展

作为高放废物处置罐候选金属材料,低碳钢在处置库服役期间,其腐蚀产物侵入缓冲屏障,导致缓冲材料矿物相变与性能变异,威胁多重屏障体系的长期安全稳定。本文详细综述了国内外处置库深部还原环境所处的弱碱性化学场与中低温度场的变化趋势,认为处置库深部化学-温度还原条件可导致处置罐Fe腐蚀释放Fe~(2+)。在处置库长期运行过程中,蒙脱石与Fe~(2+)接触发生矿物相变,一方面Fe~(2+)置换蒙脱石八面体晶格中的Al~(3+)和Mg~(2+),还原Fe~(3+)或直接占据空位,生成次生矿物;另一方面Fe~(2+)交换蒙脱石层间的Na~+、K~+和Ca~(2+),转化为铁基蒙脱石。矿物相变可诱发缓冲屏障性能变异甚至退化。基于"抗矿物转化"理念,提出了下一阶段缓冲材料矿物相变研究方向,为地下实验室碳素钢选型、缓冲屏障验证试验设计以及屏障体系安全评价提供科学依据。     

亚铁还原-钒酸铵滴定法测定矿石中铀的改进(铁粉还原-钒酸铵滴定法)

在磷酸介质中对铀的还原反应,铁粉比亚铁离子具有更高的还原能力。 Fe~2+2e=Fe,E~0=-0.409伏。当H_3PO_4浓度达7.090M时, Fe~3+e=Fe~(2+),E~0=0.448伏, 此时的 UO~(2+)_2+4H~++2e=U~(4+)+2H_2O,E~0=0.595伏。根据氧化-还原电位次序,在磷酸介质中铁粉和亚铁都能还原铀(Ⅵ),但铁粉还原能力强,且生成的亚铁又可以还原铀(Ⅵ),一个F~o_c相当于3个Fe~(2+)的电子失掉的还原剂作用。经研究实验铁粉用量为0.02—0.03克,比用亚铁还原法的莫尔盐中亚铁量0.048—