Mesoporous poorly crystalline α-Fe2O3 with abundant oxygen vacancies and acid sites for ozone decomposition

X射线光电子能谱 介孔材料 氧气 结晶度 化学 催化作用 赤铁矿 分解 解吸 吸附 傅里叶变换红外光谱 无机化学 化学工程 材料科学 物理化学 结晶学 矿物学 有机化学 工程类
作者
Xiao Liang,Lisha Wang,Tiancheng Wen,Huijuan Liu,Jian Zhang,Liu Zhu,Chengzhang Zhu,Chao Long
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier BV]
卷期号:804: 150161-150161 被引量:52
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.150161
摘要

In this work, mesoporous poorly crystalline hematite (α-Fe2O3) was prepared using mesoporous silica (KIT-6) functionalized with 3-[(2-aminoethyl)amino]propyltrimethoxysilane as a hard template (SMPC-α-Fe2O3). The disordered atomic arrangement structure of SMPC-α-Fe2O3 promoted the formation of oxygen vacancies, which was confirmed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), O2-temperature-programmed desorption (TPD), H2-temperature-programmed reduction (TPR), and in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) analyses. Density functional theory calculations (DFT) also proved that reducing the crystallinity of α-Fe2O3 decreased the formation energy of oxygen vacancies. TPD and in situ DRIFT analyses of NH3 adsorption suggested that the surface acidity of SMPC-α-Fe2O3 was considerably higher than those of mesoporous poorly crystalline α-Fe2O3 (MPC-α-Fe2O3) and highly crystalline α-Fe2O3 (HC-α-Fe2O3). The oxygen vacancies and acid sites formed on α-Fe2O3 surface are beneficial for ozone (O3) decomposition. Compared with MPC-α-Fe2O3 and HC-α-Fe2O3, SMPC-α-Fe2O3 exhibited a higher removal efficiency for 200-ppm O3 at a space velocity of 720 L g−1 h−1 at 25 ± 2 °C under dry conditions. Additionally, in situ DRIFT and XPS results suggested that the accumulation of peroxide (O22−) and the conversion of O22− to lattice oxygen over the oxygen vacancies caused catalyst deactivation. However, O22− could be desorbed completely by continuous N2 purging at approximately 350 °C. This study provides significant insights for developing highly active α-Fe2O3 catalysts for O3 decomposition.
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