改性金属硫化物可见光催化体系降解水中PPCPs的效能与机制

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:successyi
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药品和个人护理产品(PPCPs)作为新兴的有机污染物,因其在世界范围内的广泛使用及其对水生环境和人类健康的潜在风险而备受关注,已成为污水处理领域的一大挑战。以半导体催化剂为核心的光催化技术在处理PPCPs方面具有巨大的应用前景。近年来,研究人员对光催化剂开展了大量的研究,研发了一批性能优异的光催化材料,但目前仍未能找到可替代TiO2的新一代可应用材料。究其原因,主要是人们重点关注的的光催化材料普遍具有制备工艺繁杂、易碎不耐用、化学性质不稳定、使用昂贵或稀有金属、难以回收和重复利用等缺点。针对上述问题,本研究通过合理设计催化剂制备的工艺流程,开发了两种缺陷型硫化物纳米光催化剂——磷掺杂的Mo S2(POMS)和具有硫空位(SV)的Fe-Zn S(ZFS),并对两种催化剂的微观催化机制进行探索分析,在此基础上,选取TiO2作为中间介质,将ZFS粉末催化剂负载至宏观材料泡沫镍(NF)上,构建新型ZFS@TiO2/NF负载型光催化剂。进而选取五种典型PPCPs(雌酮(E1)、双氯芬酸(DCF)、环磷酰胺(CF)、三氯生(TCS)和磺胺甲恶唑(SMX)为目标物,考察了五种PPCPs在ZFS@TiO2/NF光催化体系中的降解过程与机理,分析了降解产物的细胞毒性和雌激素(ER)受体活性,提出了一种全新的适用于负载型的光催化降解机制。首先,通过氧辅助掺杂的方式将磷掺杂于Mo S2分子中,制备出磷掺杂的Mo S2。通过磷掺杂,激活了Mo S2的惰性基面,活化了Mo S2潜在的光催化活性。POMS可见光催化体系可在20 min内将SMX完全降解。密度泛函理论(DFT)计算表明,P掺杂可以通过在基面上诱导电荷扩散和杂化来改善Mo S2的能带结构和光吸收范围。同时,对POMS分子性质的分析表明,Mo S2惰性基面的活化归因于P取代S原子的过程中Mo S2分子从晶相到非晶相的转变。采用H2O2蚀刻法在纳米ZFS晶体中构建了不同密度的SV(SV-ZFS),从而显著提高了ZFS的光催化活性。通过实验和计算探究了ZFS中最佳SV密度(ρSV)及空位对催化剂本体性能的影响机制。结果表明,尽管SV的活性依赖于其在ZFS晶体中的密度,但硫空位密度本身并不是活性的控制参数,由空位密度引起的缺陷形式才是重要的影响因素。当ρSV密度达到18.75%时,主要缺陷类型从孤立的a态缺陷转变为团簇状态—e态。通过DFT计算和定量构效关系揭示了两种缺陷激活晶体的不同机制。在此基础上,通过合理筛选配体结构和优化工艺流程,开发了高效稳定的ZFS@TiO2/NF负载型光催化剂,对该体系中各组分间的相互作用方式及催化原理进行探索分析,并从电荷转移的角度阐明了如何合理设计结构复杂的负载型光催化剂。ZFS@TiO2/NF光催化剂在光催化降解PPCPs的过程中显示出优异的电荷收集和传递能力,并可在80 min内将SMX完全降解。与传统的粉末或纳米颗粒相比,该宏观尺寸材料还表现出良好的回收稳定性,可以从水环境中直接回收而无需复杂的回收处理,解决了粉末或纳米催化剂实际应用的一个关键问题。最后,探究了ZFS@TiO2/NF光催化剂在两种水质背景(去离子水和松花江实际水样(SHR))下降解五种典型PPCPs(E1、DCF、TCS、CF、SMX)的过程、机理及水质参数对降解速率(kobs)的影响。五种PPCPs在光催化降解过程中的kobs差异不大;去离子水反应液的p H值对ZFS@TiO2/NF处理五种PPCPs的降解效果有影响;不同日期的SHR背景下五种PPCPs的降解效果也不同;水样中共存的不同离子对PPCPs的降解效率影响也呈现明显差异,如SO42-、HSO42-会促进PPCPs的光催化降解速率。说明了ZFS@TiO2/NF对PPCPs的光催化降解不依赖于单一的活性自由基(ROS),不同的背景水质会对PPCPs的降解效果产生不同的影响。确定了五种PPCPs在ZFS@TiO2/NF光催化过程中的降解路径,分析了中间产物的细胞毒性和雌激素(ER)受体活性。其中,E1检测到两种羟基化产物;DCF检测到多种羟基化、脱氯羟基化、环化和脱羧产物;CF检测到四种羟基化、脱氯等产物;TCS检测到多种脱氯-加氢产物;SMX检测到多种S-N键、S-C键断裂及脱氨基产物。另外,经不同时间的光催化完全降解后,五种PPCPs的细胞毒性和ER受体活性均呈现出不同程度的下降。结果说明,ZFS@TiO2/NF可以在短时间内有效降解水中典型PPCPs,并可显著改善部分PPCPs的环境风险性。本研究开发了三种高效的硫化物光催化剂,分别从微观分子层面和宏观结构体系上阐明了光催化降解水中PPCPs的作用机制,探究了具备应用前景的负载型光催化剂处理五种典型PPCPs的机理和终端产物的环境风险性,为光催化技术进一步的应用和发展提供了研究基础和参考价值。
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