【摘 要】
:
近年来,药品和个人护理品(PPCPs)不断通过各种人为来源排放到环境水体中。更严重的是,由于PPCPs的生物降解性低,传统的污水处理厂无法完全去除这些化合物。PPCPs在自然水生环境中的积累会对人类健康和生态系统造成一系列潜在的不利影响。因此,开发用于去除水体中PPCPs的高效且环境兼容的策略已成为一项全球性挑战。光催化技术可以直接利用自然界中的太阳能转换为化学能,是缓解能源危机和解决环境污染问题
【基金项目】
:
国家自然科学基金(No.21677040); 国家自然科学基金(No.22076029); 广州市科技项目(No.201903010080);
论文部分内容阅读
近年来,药品和个人护理品(PPCPs)不断通过各种人为来源排放到环境水体中。更严重的是,由于PPCPs的生物降解性低,传统的污水处理厂无法完全去除这些化合物。PPCPs在自然水生环境中的积累会对人类健康和生态系统造成一系列潜在的不利影响。因此,开发用于去除水体中PPCPs的高效且环境兼容的策略已成为一项全球性挑战。光催化技术可以直接利用自然界中的太阳能转换为化学能,是缓解能源危机和解决环境污染问题的理想技术之一。氮化碳(g-C3N4)是一种非金属聚合物半导体材料,因制备方法简单、能带合适、稳定性高和能在可见光响应等优点被广泛用于环境修复。然而g-C3N4依然存在着比表面积小、可见光利用率低、载流子复合率高,以及强氧化活性自由基产率低等缺点,导致其光催化活性仍然不够理想。鉴于此,本研究拟通过形貌调控、缺陷工程、非金属材料复合等方法,解决g-C3N4光催化降解PPCPs的活性限制因素,构建高效的环境友好的光催化体系用于环境修复,助力解决环境污染和能源危机等问题。此外,系统地研究光催化剂的形貌结构、表面成分、光电性质与光催化降解PPCPs性能之间的联系,并揭示相关的光催化反应机制。本文主要的研究内容如下:(1)运用一步热聚合法成功制备出二维超薄g-C3N4(UCN)纳米片,并将其应用于光催化降解双氯芬酸钠(DCF)。UCN具有较高的比表面积、较强的载流子迁移能力,因而表现出优于块状g-C3N4的光催化活性。UCN耦合过硫酸盐(PDS),可以产生更多的强氧化活性自由基,这被电子自旋共振(ESR)测试所证实。经过150 min的反应,DCF的矿化率达到78%。联合淬灭实验证明超氧自由基(O2·-)对降解过程起主导作用。进一步发现DCF在UCN/PDS体系的光催化降解符合一级动力学规律和Langmuir-Hinshelwood模型,且在循环实验中仍保持着良好的光催化活性。有趣的是,UCN/PDS体系在偏酸/偏碱p H以及实际河水中展示出更高的光催化活性,尤其DCF在河水中的降解速率是在超纯水的3.4倍。(2)羟基自由基(·OH)具有非选择性强氧化能力特性,可有效降解PPCPs。然而由于g-C3N4固有价带的限制,它无法直接生成·OH。为了从本质上提高g-C3N4体系的氧化能力,本文报告了一种简便的、环保的自改性策略来合成具有氮空位和氰基(C≡N)官能团的还原性石墨氮化碳(RCN)。实验结果和仪器分析表明氮空位和C≡N基团在修饰RCN能带结构以提高其可见光吸收和氧化能力方面具有关键作用,价带位置的下移使得RCN具有通过空穴(h+)直接生成·OH的热力学驱动力。凭借这些特性,RCN在可见光照射下表现出更高的O2·-和·OH产率,对DCF的光催化降解显著增强,其动力学速率是原始g-C3N4的7.4倍。本研究中阐述的自修饰策略对于构建具有合适能带结构的g-C3N4具有指导意义。(3)为了协同强化g-C3N4的载流子产生-分离效率和氧化能力,以提高其在环境修复领域的催化性能。在此,我们制备了一种新型氮化硼量子点修饰的还原性超薄g-C3N4(BNRU)光催化剂,拟通过缺陷工程和氮化硼量子点(BNQDs)负载达到上述目的。通过引入缺陷(氮缺位和C≡N)优化后的能带结构能够吸收更多的光子并提供更强的氧化驱动力(+2.15 e V),同时氮缺位和BNQDs分别构建了电子和空穴的单独转移通道以促进载流子分离。与UCN相比,最优的2BNRU在可见光下可以获得高1.7倍的载流子密度,而且光电流密度从1.33上升至9.31μA/cm~2。ESR测试和分子探针光谱测试结果表明这些强化特性赋予2BNRU优越的活性自由基生成能力。当用于降解诺氟沙星时,2BNRU能够以0.3744 min-1的动力学速率降解药物分子并且在30 min可见光照射下矿化率可以达到46.9%。本研究不仅展示了一种用于修复环境污染的具有高氧化性能的g-C3N4光催化系统,而且为设计具有载流子双转移机制的非金属光催化剂开辟了道路。(4)为了进一步提高g-C3N4对太阳光的利用效率和自由基生成能力,在此,我们合成了一种具有强氧化还原能力和广谱光响应能力的新型碳量子点修饰的还原性超薄g-C3N4(RUCN/CQD)光催化剂,对多种典型PPCPs均表现出优越的光催化降解性能。特别地,在实际太阳光照射下,RUCN/CQD在六分钟内对5 mg/L的DCF表现出100%的去除率。这种卓越的性能归因于定制的能带结构具有产生·OH的热力学驱动力,CQD具有促进O2·-形成的有效电子转移能力,以及具有丰富反应位点的超薄多孔结构。同时,CQD的上转换荧光特性赋予光催化剂利用广谱光的能力,有效提高了太阳光利用率。RUCN/CQD系统在模拟自然环境条件下也表现出优异的光催化活性,这意味着该体系具有修复水环境中PPCPs的巨大潜力。
其他文献
随着信息交互的日益频繁,产品的安全通信和认证正受到严重的安全威胁。假冒伪劣产品给人类社会的许多方面带来了无法承受的损失,如健康,金融,贸易,物联网等。因此,在需要被保护的产品包装上添加防伪标签成为了有效的解决方案。传统上,防伪技术都是通过创建和使用由确定过程生成的标签来保护产品,如全息图案、水印、图形条形码和防伪油墨。但是,基于目前具备的防伪技术还存在着许多缺陷与挑战,例如易于被伪造、缺乏相关的技
核酸是生物体中重要的遗传物质,在生命活动中发挥许多重要作用。除了双螺旋DNA结构外,核酸还具有三链、交叉十字链、G-四链体等非典型的各种高级结构。这些结构在调节细胞活动中具有某些独特的功能,但大多数与这类非典型核酸结构相关的生物机制尚未完全了解。因此,在体内实时识别任何高阶的DNA结构,如G-四链体DNA,通过监测它们的结构动力学和研究它们在活细胞中的生物活性是一项具有挑战性的任务。人类端粒末端存
白光二极管(w-LED)的快速发展带来的技术和成本优势,使近红外LED(pc-NIR-LED)光源相对于现有的近红外光源,具有成本低、结构简单、高光效、寿命长等优点。紫外(UV)或蓝光芯片激发荧光粉实现宽带pc-NIR-LED的策略是新型近红外光源的理想选择。因此开发具有宽带发光的荧光粉来实现pc-NIR-LED光源变得极为迫切。针对拓宽近红外光荧光粉发射波段和带宽的目标,选择过渡金属Ni离子作为
锌空气电池是绿色可持续发展的新能源技术,其空气正极发生的氧还原和氧析出反应分别对应电池的放电和充电过程,而氧还原和氧析出反应涉及复杂的四电子反应过程,其缓慢的反应动力学增大了电池的电化学极化,降低了锌空气电池的性能。因此,探索高效益,高活性的氧气电催化剂是实现高性能锌空气电池的关键。储量丰厚,成本低廉,协同效应强,催化活性高的镍铁基催化剂可以有效地催化空气正极的氧还原和氧析出反应。然而镍铁基材料的
精准和超快的离子选择性分离技术可应用于水纯化脱盐、离子萃取、有价离子回收及新能源等相关领域,对经济与社会的可持续发展具有重要意义。开发具有特定分离功能的膜材料,对实现不同的混合离子体系的有效分离具有重要价值。超薄二维纳米材料因其比表面积大、机械性能好、成膜性好等优点而成为一种理想的分离膜材料。基于二维纳米片层层堆叠、有序组装而形成的二维层状膜在受限纳米通道内表现出与传统分离膜迥异的传质分离机理,能
挥发性有机化合物(VOCs)是大气环境中细颗粒物和臭氧的关键前体物,其有效控制对于我国大气环境质量的持续改善具有重要意义。在诸多末端治理技术中,低温等离子(NTP)具有可随时开启/关闭、常温常压运行、成本低、阻力小、工艺流程简单等特点,在处理低浓度、多组分工业VOCs废气方面极具潜力。然而,现有NTP技术存在矿化率低、副产物多和能量效率低等问题,难以满足日趋严格的工业VOCs废气净化要求。为此,本
随着无线移动通信、智能传感和集成芯片等新一代信息技术的迅猛发展,信息交互变得高效便捷,作为能够利用信息交互完成协作任务的多智能体系统受到了极大的关注,并已广泛应用于航空航天、海底探索和智能电网等领域。通过局部信息交互完成单个个体无法完成的复杂任务以实现整体工作能力的跃升,多智能体系统分布式协同控制技术是未来军事民用领域提高生产生活效率的重要保障,也是未来人工智能技术实现的关键基础。受实际工程系统动
近现代以来,受人为因素和自然条件的影响,莫高窟壁画出现了各种各样的病害,对壁画的保护造成极大威胁。壁画赋存环境及地仗层内部湿分的迁移是造成病害发生和发展的一个主要因素,而湿传递与热传递是耦合相关的,热湿的耦合作用带动了盐分的传递和富集。目前对于莫高窟地仗层内热湿迁移的耦合机理和研究方法都不明确,无法准确地描述热湿分布特征,一定程度上约束了人们对病害机理的研究。因此对莫高窟地仗层进行热湿传递特征和机
高硬度高熔点材料被广泛应用于工业生产、航天航空等领域中强抗压及最热端部件。高抗压和耐高温的特点使得这些部件能够在极端恶劣环境下稳定工作,如航空发动机、战斗机用发动机和导弹用涡喷/涡扇发动机等。众所周知,金刚石是目前已知最硬的材料,然而金刚石在高温条件下容易出现解理并显示脆性,因此,金刚石不能满足在极端高压高温环境下的应用需求。除了利用轻元素原子(碳)间可形成强共价键以获得超硬材料的方法外,将具有高
马兜铃酸(Aristolochic acids,简称AAs)是一类硝基菲羧酸,存在于马兜铃科的马兜铃属(Aristolochia)及细辛属(Asarum)等植物中,具有不可逆的肾毒性、致癌和致基因突变作用,被国际癌症研究机构列为Ⅰ类致癌物,尤其是AAs暴露与肝癌之间具有一定的相关性。近年对巴尔干地区性肾病的朔源研究发现,AAs随着植株腐烂进入土壤,并可以被土壤后续种植的植物吸收。目前,AAs已成为