关键词:
Fe-P-C系铁基非晶合金
成分与工艺设计
微观结构
软磁性能
染料降解性能
磁催化效应
摘要:
铁基非晶合金作为新型功能性材料,在解决我国染料废水问题上极具潜力。相较于传统金属,它具备更高的催化活性与稳定性,而且其软磁性能不仅有助于实现催化剂回收利用,还存在磁催化效应,通过成分和工艺调控可协同提升软磁性能与催化降解性能,有助于深化对磁催化效应的理解。然而,当前研究多聚焦于Fe-Si-B体系,而相对于Fe-Si-B系而言,Fe-P-C系铁基非晶合金具有更低的原材料成本,并且在催化降解染料废水时,表现出更高的催化活性和重复使用性,但对其催化降解性能的机理研究较少。同时,在铁基非晶合金的后续处理中,退火工艺是提高其软磁和催化性能的重要方式,但退火工艺对铁基非晶合金综合性能的影响机制尚不明确,且多数研究将软磁性能与催化降解性能割裂,对于磁催化效应在铁基非晶合金中表现的研究较少。基于以上研究背景,本研究以Fe-P-C系铁基非晶合金为研究对象,通过成分与工艺设计,深入研究了其对微观结构、软磁性能和染料催化降解性能的影响,探寻磁催化效应在其中的表现。
首先,利用单辊熔融甩带法制备了Fe80PxC20-x(x=0,4,7和13)合金条带,探讨了 P和C元素对条带微观结构、软磁性能和亚甲基蓝(MB)染料降解性能的影响。结果表明,铸态Fe80C20条带为晶体结构,而铸态Fe80PxC20-x(x=4,7和13)条带为非晶结构,说明P元素可以提高合金的非品形成能力。黑暗条件下,条带对MB溶液的降解效率ηDark随P含量(cP)增加而逐渐降低,且Fe80P4C16条带的退火实验表明Fe-P键的稳定性高于Fe-C键,这表明Fe-P键释放出参与类芬顿反应的Fe原子较少;在可见光(VL)下,条带的ηVL随cP的增加先升高后降低,其中x=4的条带表现出最高的ηVL,这与条带饱和磁化强度的变化趋势一致,初步揭示条带的催化降解性能与其饱和磁化强度相关。这项工作中,降低非晶条带中的cP并提高C含量(cC)虽能够提高其饱和磁化强度并改善其对染料溶液的降解性能,却会使重复使用性下降。
其次,采用电弧熔炼和单辊熔融甩带法分别制备了Fe80PxC20-x(4.5 ≤ x≤6.5)铸锭和非晶合金条带,研究了铸态和退火条带的微观结构、软磁性能和罗丹明B(RhB)染料的降解性能。在该合金体系中,增加cP可抑制α-Fe初晶相和石墨相的析出,促进铸锭和退火条带中α-Fe+Fe3C+Fe3P共晶相的形成。随着退火温度的增加,cP=4.5 at.%条带的α-Fe初晶晶粒尺寸逐渐增大,而cP=6.5 at.%条带的α-Fe晶粒尺寸先增大后减小。cP=4.5和6.5 at.%条带的饱和磁化强度(Bs)与矫顽力(Hc)随着退火温度的升高而增加,这归因于退火过程中α-Fe晶粒的析出。同时,条带的降解性能和重复使用性依赖于α-Fe晶粒尺寸的变化,这可以通过原电池效应来解释。并且它们的反应速率常数(k)与ln(Bs·Hc)之间呈现近似线性关系,这证实了Fe-P-C系铁基非晶合金铸态及其退火条带中存在磁催化效应。在所有条带中,cP=6.5at.%低温退火条带的降解性能和重复使用性最优,这体现了提高合金中cP与退火处理能够协同改善其对染料溶液的降解性能和重复使用性。
再次,对商用Fe85P5C10合金带材重熔,利用真空甩带机控制腔室内残余压力(Pva)进行再制备,探究了甩带真空条件对条带微观结构、软磁性能及MB染料降解性能的影响。结果表明,高真空条件有利于提升Fe-P-C合金的非晶形成能力,并促进α-Fe相形成和表面氧化物的减少,在Pva=10-1和101 Pa时可制得完全非晶合金条带。同时,条带的Bs和Hc随Pva的降低呈先增后减趋势,在Pva=103Pa时达最大值,这是因为α-Fe相的减少会降低Bs和Hc,而Pva=105 Pa时所得条带因表面铁氧化物和碳化物更多,导致其Bs和Hc低于Pva=103Pa时所得条带。且非晶条带在对MB溶液的降解效率(η)高于晶态条带和商用半非晶条带,调节pH值至2和3可进一步提高其降解效率。在Pva=101 Pa时所得非晶条带的η高于Pva=10-1 Pa时获得的条带,它们反应前后的表面形貌和化学态表明,前者较高的η归因于其在降解过程中形成更细密的3D纳米孔状结构与内部Fe-P/Fe-C键引发更强的原电池效应。
最后,通过单辊熔融甩带法,在不同辊速(Rs=10-45 m·s-1)下制备了铸态Fe80P5C15-xBx(x=0和10)合金条带,并对其微观结构、软磁性能和甲基橙(MO)染料降解性能展开分析。研究发现,随着Rs的增加和B替代,合金条带的软磁性能不断增强,这主要得益于基体改性,尤其是Fe23(C,B)6单胞相和完全玻璃相的形成;基于密度泛函理论(DFT)模拟可知,Fe23(C,B)6单胞相较高的平均铁原子磁矩,有效提升了合金的Bs和在频率为1000 k