基于氧掺杂氮化碳的异质结的构建及其在光催化抗菌中的应用

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随着工业化进展不断深入,同时也伴随着环境问题愈加严重。污染物和病原体微生物在水体中不断累积,对人类的生活造成了极大的危害。开发一种新型高效的抗菌手段不仅意义重大而且及其必要。半导体光催化技术作为一种能够有效利用太阳能的手段,受到了广泛的关注,其中利用光催化进行抗菌是利用光催化过程中氧化还原反应产生的活性物种,对水体中污染物和病原体微生物分别进行降解和灭活。氧掺杂氮化碳作为一种二维的片状材料,且表面存在更多的C-O和O-C-N键,从而允许在氧掺杂的氮化碳和氧化物之间有更多的电子传输途径。另外,氧掺杂氮化碳的禁带宽度也相对较窄,有利于提高对光的吸收。然而不足的是,氧掺杂氮化碳的价导带位置相对较低,不利于形成有较高氧化还原性的光生空穴和电子,针对这一问题,本文将氧掺杂氮化碳分别与W18O49和Bi7O9I3进行复合形成异质结,并分别提高了光催化体系的氧化性和还原性。本文主要研究内容如下:(1)采用溶剂热法和煅烧的方法分别制备了W18O49和氧掺杂氮化碳(OCN),随后以无水乙醇为溶剂将两者进行混合形成OCN/W18O49异质结光催化剂,并研究了其抗菌性能。W18O49具有较正的价带电位,且因其特殊的局部等离子共振效应,具有很强的光吸收能力,能够有效提升复合体系的光吸收和氧化能力。对复合后的光催化材料进行了表征。实验表明,复合催化剂对大肠杆菌的灭活和罗丹明B(Rh B)的降解具有较强的催化作用,比单一组分的催化剂具有更优异的性能。其中OCNW-2在270 min光照后可以将细菌进行全部杀灭。最后,通过自由基捕获实验和ESR测试验证了h+在抗菌中具有决定性的作用。(2)相比于W18O49催化剂,半导体Bi7O9I3拥有更负的导带电位,另外通过掺杂氧的量对OCN进行价导带位置的调控。分别采用溶剂热法和高温煅烧法合成了Bi7O9I3和OCN,后将两种组分在无水乙醇中进行混合,使两者分散均匀,最后得到OCN/Bi7O9I3复合光催化剂。通过多种表征方式证实了两者的成功复合。通过实验评价了所制备的催化剂的光催化性能,包括对大肠杆菌的抗菌性能和对盐酸四环素(TC)的降解,证实了复合后的催化剂比单一组分的催化剂具有更高的活性。其中,2-OB的光催化抗菌性能最优,能在3 min可见光光照后将大肠杆菌进行全部杀灭。采用自由基捕获实验和ESR对抗菌机理进行了进一步的研究,探明超氧自由基(·O2-)在光催化抗菌过程中起到了决定性的作用。
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