导电聚合物改性硫化物光催化剂的构建及其去除Cr(Ⅵ)研究

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阳光作为一种无处不在的可再生能源,为地球存储了丰富的能量。半导体光催化技术因为其可以直接利用自然光解决环境问题,具有非常重要的研究意义。然而,传统金属硫化物半导体,通常具有较弱的环境稳定性、较快的载流子复合率等特性,极大地阻碍了硫化物半导体的应用和发展。因此,探索合适的方法提升其光吸收范围、载流子迁移速率及环境稳定性是保障传统金属硫化物半导体大规模使用的基础。本文利用有机半导体修饰金属硫化物,用于设计与制备高活性、高稳定性的宽光谱响应光催化材料。在此基础上,根据制备材料的光催化去除Cr(VI)性能、化学性质、物理结构等数据分析,深入研究性能提升的内在机理,并证明其稳定性。在本文中,通过原位负载的方法调控负载导电聚合物的含量来提升硫化物的吸光范围和载流子迁移速率;在研究光催化去除Cr(VI)性能的基础上,充分地研究影响光催化去除Cr(VI)性能的根本原因,以进一步提升复合材料的催化活性。通过简单静电吸附方法实现催化剂的制备,并用于其他环境污染物的降解(2-巯基苯并噻唑),以探索催化剂的多功能化。本文的研究内容主要如下:1.首先通过原位聚合法设计了宽光谱响应(UV-Vis-NIR)的聚吡咯(PPy)改性六边形SnS2纳米片复合材料,并应用于光催化Cr(Ⅵ)还原,对其吸光范围、载流子迁移速率、环境稳定性进行了深入的研究。实验结果证明,15-PPy/SnS2表现出最佳的光催化铬离子还原活性,是SnS2单体的3.33倍。此外,PPy的引入提升了单体SnS2的光吸收范围、光吸收强度和载流子迁移速率,使得复合材料不仅在可见光区域(λ≥420 nm)具有较好的光吸收强度,而且在近红外区(λ≥760nm)也表现出优异的光催化性能。2.通过原位聚合成功地制备了新型三维PPy/Zn3In2S6纳米花复合材料,提高了单体Zn3In2S6的光还原Cr(Ⅵ)和光降解甲基橙(MO)性能。结果表明,5%PPy/Zn3In2S6表现出优异的光催化活性,仅在24 min内,几乎100%的铬离子被还原,而在25 min内99.4%的MO被降解。在此基础上,系统地研究了催化剂用量,Cr(Ⅵ)浓度,不同无机盐离子,pH值等因素对光催化反应的影响。特别的是,对不同有机酸对其影响进行了深入分析,发现仅添加0.1 mmol有机酸就可以显著提高光催化活性。结果表明在光催化铬离子还原中,有机小分子中的官能团种类及数量(-OH,-COOH)、pH以及其他离子对光催化活性也具有极为重要的影响。研究结果表明有机酸中的-OH与-COOH均有利于光催化铬离子还原性能的提升,并且-OH表现出相较-COOH更优越的提升性能。3.采用静电吸附方法制备出PANI/Zn3In2S6纳米花复合材料,提高了单体Zn3In2S6光还原Cr(Ⅵ)和2-巯基苯并噻唑(MBT)的降解效率。0.05%PANI/Zn3In2S6表现出最好的活性,在可见光区(λ≥420 nm),其光催化铬离子还原与MBT降解速率分别是Zn3In2S6的3.76倍和3.27倍,并且在λ≥550 nm的光吸收范围内仍表现出优异的铬离子还原性能。在此基础上,研究了不同有机酸、pH对于光催化铬离子还原的影响。此外,采用质谱测试研究了MBT降解过程中的中间体。研究结果表明,MBT被降解为低毒或者无毒的小分子。结果表明,PANI优异的吸光和传输电子能力有效地增强了催化剂的吸光性能和载流子迁移速率。
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