超临界水条件下铁酸铋纳米颗粒水热合成的响应面优化：四环素光催化降解应用

摘要： 通过间歇式反应器采用超临界水热技术成功合成了超细铁酸铋(BiFeO3)粉末。运用Box-Behnken三水平实验设计优化影响BiFeO3效率的工艺变量，包括初始溶液pH值(1.5-12.5)、反应时间(1-2小时)和反应温度(450-550℃)。采用X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)对样品进行表征。通过方差分析(ANOVA)和在最优设计条件(温度522℃、pH值3.25、反应时间1.3小时)下进行实验验证模型。在最优条件下获得的最大BiFeO3产率约为45%，预测模型与实验数据具有良好相关性(模型P值=0.0052)。本研究表明超临界水热法是制备平均晶粒尺寸60nm且粒径分布窄的BiFeO3纳米颗粒的合适方法。此外，通过紫外-可见漫反射光谱(DRS)研究了产物的光学性能，所得纳米结构表现出1.96eV的窄带隙，表明BiFeO3粉末可作为降解四环素(TC)的新型可见光响应光催化剂。光催化实验表明，在紫外和可见光辐射下使用BiFeO3纳米颗粒分别可获得80.3%和87.5%的TC降解效率。进一步研究发现TC在BiFeO3作用下的降解遵循准二级动力学。