二氧化钛纳米管负载碳量子点光催化降解萘普生及材料生物毒性研究

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二氧化钛(TiO2)具有光催化活性高、低毒及稳定等特点,在光催化领域应用广泛。二氧化钛纳米管(TNTs)比TiO2有更大的比表面积、更强的吸附能力和更高的光催化活性,成为近年来纳米材料合成与催化应用领域的研究热点之一。本文采用碳量子点对TiO2纳米管进行改性,制备出可在可见光下响应的复合光催化材料,并将其应用于的典型PPCPs的光催化降解,同时,考虑其进入水环境后的生物毒性。研究结果为二氧化钛纳米管负载碳量子点(TNTs/CDs)的推广应用提供了理论基础。研究结果如下:(1)通过水热法制备出具有较大比表面积的二氧化钛纳米管(TNTs),利用共热聚合法将溶剂法制备出的CDs负载到TNTs上得到TNTs/CDs复合材料。通过高透射电镜(HRTEM)表征,TNTs/CDs其管径约为9.5nm,管壁约3.5nm,管长约150nm,且CDs均匀的负载在TNTs表面。利用N2静态吸附方法发现TNTs/CDs的比表面积为174.108m2/g,X射线衍射发现其晶型结构没有发生明显变化,紫外漫反射(UV-vis/DRS)显示出CDs的引入使TNTs吸收波长从385nm拓展至431nm,同时,利用荧光分光光度计(PL)证明了电子-空穴的复合率降低。采用TNTs/CDs光催化降解罗丹明B对TNTs/CDs活性进行表征,发现CDs与TNTs的质量比为5%时对罗丹明B降解效果最好。罗丹明B降解符合准一级动力学,其降解速率为0.0479 min-1,是TNTs的14倍。(2)利用所制备的复合材料TNTs/CDs光催化降解萘普生(NPX)并对其机制进行研究。结果表明,NPX在TNTs/CDs光催化降解下符合准一级动力学;TNTs/CDs降解NPX的速率为0.0198min-1,是NPX单独光解的33倍;NPX在pH=4的条件下降解速率最快;通过电子自旋共振(ESR)和猝灭实验发现O2.-1O2为光催化过程中的主要活性物质;根据降解产物推测出NPX降解路径,NPX的降解主要包括脱羧反应和羟基化途径。(3)选取斜生栅藻(S.obliquus)、大型蚤(Daphnia magna)和斑马鱼(Zebrafish)水生生态系统三种营养级别的生物对复合材料TNTs/CDs进行急性毒性测试。结果表明,其对斜生栅藻生长有一定影响性,48h、72h和96h的EC50分别为96.37mg/L、65.91mg/L和64.55mg/L;其对大型蚤生长也有一定抑制作用,在暴露24h后,低浓度组抑制率高于高浓度组,在暴露72h后,高浓度组抑制率高于低浓度组。TNTs/CDs对斑马鱼生长无明显影响,在暴露96h内,对斑马鱼存在一定的氧化应激现象。
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