过渡金属单原子负载石墨相氮化碳的制备及其降解污染物的应用研究

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高级氧化法(Advanced Oxidation Process,AOPs)在环境修复领域表现出优异的潜能,通过产生具有强氧化性的活性自由基,将环境中的有机污染物降解为无害的矿化盐、二氧化碳和水。寻找合适的催化剂来提高AOPs的活性和应用范围是进一步发展AOPs的重中之重。单原子催化剂(Single-atom catalysts,SACs)兼具均相催化剂和非均相催化剂的优点,在催化反应中呈现出原子利用率高、催化活性强、结构稳定和易于分离等特点,因此,近年来SACs引起了广大科研工作者的关注。石墨相氮化碳(g-C3N4)具有良好的可见光吸收性、高稳定性,且大量的N原子能捕获金属原子。因此,它被广泛地用作固定、支撑贵金属原子(Pt,Pd,Ag等)和非贵金属原子(Fe,Co,Ni等)来制备金属单原子催化剂。本课题通过研磨-高温煅烧制得SA-Fe/g-C3N4,SA-Mn/g-C3N4和SA-Mn/NG三种单原子催化剂。并使用X射线光电子能谱(XPS),能量色散X射线光谱(EDX)和球差校正高角环形暗场像-扫描投射电子显微镜(AC HAADF-STEM)等技术对催化剂进行表征。分别以双酚A(BPA),四溴双酚A(TBBPA)和磺胺甲恶唑(SMX)作为污染物来考察单原子催化剂的催化降解性能。本课题主要内容包括以下三个方面:(1)SA-Fe/g-C3N4在可见光下活化双氧水(H2O2)降解双酚A(BPA)的研究将一定量三聚氰酸(CA),聚乙烯亚胺(PEI),三聚氰胺(M)分散在水溶液中,抽滤,真空干燥制得前驱体(命名为PEI-MCA),将在乙醇中超声分散的氯化血红素与PEI-MCA研磨,将研磨后的粉末在管式炉中高温煅烧(550℃)得到单原子Fe负载氮化碳(SA-Fe/g-C3N4)。同样的煅烧方法(550℃)煅烧前驱体得到g-C3N4作为对比材料。在可见光下,对比g-C3N4和SA-Fe/g-C3N4活化H2O2去除BPA的能力。实验结果表明,负载了金属单原子Fe的催化剂SA-Fe/g-C3N4催化降解能力明显提升。通过探究实验得出SA-Fe/g-C3N4在弱酸条件下对BPA均有良好的降解性能,H2O2和催化剂最佳浓度分别为80 mmol/L,浓度为0.1 g/L。(2)在可见光下研究SA-Mn/g-C3N4活化过一硫酸盐(PMS)降解四溴双酚A(TBBPA)的能力将一定量三聚氰酸(CA),聚乙烯亚胺(PEI),三聚氰胺(M)分散在水溶液中,抽滤,真空干燥得到前驱体(命名为PEI-MCA),将在乙醇中超声分散的四氯苯基卟啉锰与PEI-MCA研磨,将研磨后的粉末在管式炉中高温煅烧(550℃)得到单原子Mn负载氮化碳(SA-Mn/g-C3N4)。以同样的煅烧方法得到的g-C3N4作为对比材料。在可见光下,对比g-C3N4和SA-Mn/g-C3N4活化PMS去除TBBPA的效果。实验结果表明,SA-Mn/g-C3N4催化降解TBBPA的效率相比于纯g-C3N4有明显的提升。SA-Mn/g-C3N4降解TBBPA的最佳条件为pH=10.0,SA-Mn/g-C3N4浓度为0.1 g/L,PMS浓度为0.2 g/L。(3)SA-Mn/NG活化过二硫酸盐(PS)降解磺胺甲恶唑(SMX)的研究单原子Mn负载氮掺杂石墨烯(SA-Mn/NG)的制备方法与上述SA-Mn/g-C3N4的制备方法类似,不同的是四氯苯基卟啉锰与PEI-MCA混合物的煅烧温度为700℃,煅烧时间为2小时。将PEI-MCA按同样的升温程序煅烧得到纯NG的作为对照,比较NG和SA-Mn/NG活化PS降解SMX的效果。实验结果表明,负载金属单原子Mn的催化剂SA-Mn/NG的催化降解效能提升。SA-Mn/NG降解SMX的最佳条件为pH=9.0,SA-Mn/NG浓度为0.1 g/L,PS浓度为0.2 g/L。
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