磁性铁基复合光催化材料制备及其光催化性能研究

来源 :厦门理工学院 | 被引量 : 1次 | 上传用户:wanfan001
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光催化因其可利用光能、高效和绿色的优势而成为一种新型高级氧化技术,但传统光催化剂存在难以回收和光生电子-空穴对复合率高等问题,限制了光催化技术在实际中的应用。开发易回收和高效的新型光催化剂已成为研究趋势。此外,随着经济的发展,单一的光催化技术难以满足越来越难处理的污染物。为了进一步提升光催化性能,开发光催化协同多种高级氧化技术成为研究热点。基于此,本文制备了两种磁性铁基复合光催化材料,构建其在可见光下光催化协同多种高级氧化技术去除水中难降解抗生素和重金属离子,对其光催化性能和光催化协同多种高级氧化工艺的效应机制进行深入研究,为水中污染物的高效去除提供新的思路。研究内容和结果如下所示:1.采用水热法将磁性四氧化三铁(Fe3O4)、氮掺杂二氧化钛(N-Ti O2)和还原氧化石墨烯(r GO)复合制得磁性铁基复合光催化剂N-Ti O2/Fe3O4/r GO(NTFG)。构建了NTFG在可见光(Vis)光催化协同活化过硫酸钠(PDS)和双氧水(H2O2)系统,即NTFG/PDS/Vis和NTFG/H2O2/Vis系统,选择盐酸四环素(TCH)为目标污染物,对这两个系统光催化和协同活化性能进行研究。结果表明:N-Ti O2和Fe3O4纳米颗粒有序分布在r GO片材表面上;相比N-Ti O2和Fe3O4,NTFG在可见光的吸收能力最强,光生电子和空穴复合率最低,表明NTFG的复合使光催化性能得到提升。NTFG光催化降解TCH一级动力学速率常数(k)为0.0418 min-1,NTFG/PDS/Vis和NTFG/H2O2/Vis系统降解TCH的k分别为0.1531和0.1133 min-1,表明NTFG光催化性能在PDS和H2O2协同活化作用下均得到显著提高。NTFG使用5次后,两个系统处理TCH效率仍均能达到90%以上,表明NTFG在这两个系统中均具有稳定的光催化性能。NTFG/PDS/Vis系统产生羟基自由基(·OH)、超氧自由基(O2·-)、硫酸根自由基(SO4·-)和空穴(h+),NTFG/H2O2/Vis系统产生·OH、O2·-和h+。H2O2和PDS的引入可捕获NTFG产生的光生电子,抑制光生电子和空穴复合,提升了NTFG光催化性能。基于此,分别阐释了NTFG光催化协同活化PDS和H2O2的机理。提出了两个系统可能的降解途径,NTFG/PDS/Vis系统主要发生脱甲基和N脱烷基化反应和环裂解等反应,NTFG/H2O2/Vis系统主要发生羟基化,去甲基化和环裂解等反应。利用定量构效关系法(QSAR)预测了这两个系统降解中间产物,结果表明一些中间产物比TCH本身的毒性更大,应适当延长时间以减少中间产物的毒性。2.基于磁性Fe3O4,将其与二氧化钛(Ti O2)和二硫化钼(Mo S2)通过水热法复合制得磁性铁基复合光催化剂Ti O2/Fe3O4/Mo S2(TFM)。选择TCH和六价铬(Cr(VI))复合废水为目标污染物,构建TFM光催化协同活化过氧单硫酸钾(PMS)系统(TFM/PMS/Vis)同步去除TCH和Cr(VI)以评估其光催化性能和协同活化性能。结果表明:Ti O2和Fe3O4纳米颗粒有序排列附着在呈花球状的Mo S2片状层结构上。此外,TFM可见光吸收能力最强、光生电子和空穴复合率最低,提升了TFM的光催化性能。TFM光催化处理TCH和Cr(VI)的k值分别为0.048和0.052 min-1,TFM/PMS/Vis处理TCH和Cr(VI)的k值分别为0.355和0.436 min-1,表明TFM光催化与PMS活化协同活化显著提升TFM光催化性能。TFM在TFM/PMS/Vis系统中可重复使用性高,具有稳定的光催化性能。·OH、SO4·-、O2·-和h+是TFM/PMS/Vis系统中的主要活性氧,PMS的引入可促进Fe(III)/Fe(II)循环和自由基产生,提高TFM光催化性能。基于上述分析,本文创新性地将TFM光催化协同活化PMS同步去除TCH和Cr(VI)复合废水,并阐述了TFM的“双Z型”异质结光催化协同活化PMS的机理,从机理上探究TFM/PMS/Vis系统增强光催化性能的可行性。
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