基于Bi2WO6复合光催化剂的设计及其光降解四环素的性能及机理研究

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四环素(Tetracycline,TC)是广谱类抗生素,一直是世界上使用最广泛的抗生素之一,抗生素的应用为人类的医学事业发展做出了贡献。但是,抗生素的滥用严重威胁人类和动物的健康,其中,水体中残留的抗生素的累加也加剧着环境的恶化程度。光催化技术是一种环境友好的处理技术,具有性能稳定、绿色无污染和成本低廉等诸多优点,被应用于降解水体中的有机污染物方面表现出良好的应用前景。Bi2WO6是最简单的Aurivillius型钙钛矿层状结构氧化物,因具有良好的光催化性能而受到越来越多的关注。然而,对于纯的Bi2WO6单体而言可见光吸收效果差,较难回收,光生电子易复合限制了其应用。本论文中,首先,在Bi2WO6基础上引入了氧化石墨烯材料,促进了电子与空穴的分离;其次,引入生物质碳材料,提高了体系的吸附性能,从而改善光催化活性;再次,通过构建半导体Z-型异质结结构以及引入生物质碳量子点有效地改善电子的迁移效率并且提升了催化剂对光能的吸收利用率;最后,通过碳掺杂以及复合磁性材料的方法提高了催化剂的光催化活性而且有利于催化剂的回收再利用。具体研究内容如下:1.通过Hummers法合成氧化石墨烯(GO),之后选用水热法将GO负载在Bi2WO6三维花球纳米片上,制备了Bi2WO6/GO复合光催化剂。选用多种检测仪器对该材料进行表征并考察其在可见光下降解TC的行为机理。结果表明:所制得的Bi2WO6/GO复合光催化剂不但具有较好的形貌,而且对TC具有较高的光催化降解能力,当GO的含量为5.0 wt%时,降解效果达到了最佳,在90 min内降解效率可以达到76%。2.以桃花为生物质碳源,通过高温煅烧法制备了生物质碳,然后利用水热法合成花球状Bi2WO6,利用超声法制备Bi2WO6/C二元复合材料。通过XRD、PL、SEM和电化学等测试手段对制备的Bi2WO6/C复合光催化材料进行系统表征分析,并通过对比不同碳含量的催化剂可见光下对TC的降解效果,来确定最佳比例。结果表明:生物质碳与Bi2WO6的质量比例为1:6时,光催化效果最佳,在90 min内,达到74%。生物质碳材料的引入提高了Bi2WO6电子-空穴对的分离的效率,提升了其光催化活性。3.采用水热碳化法制备生物质碳量子点(CQDs),将得到的CQDs加入到Bi2WO6的前驱液中,制备出CQDs/Bi2WO6二元复合材料,采用水浴加热法将制备的CQDs/Bi2WO6加入到Cu2O的前驱液中,制备了CQDs/Bi2WO6/Cu2O三元复合光催化剂。结果表明,具有上转换功能的CQDs引入,实现了催化剂对短波长光响应能力的释放,促进了催化剂对光能的利用率。同时,Z-型异质结结构的构建,促进了电子的迁移效率。CQDs/Bi2WO6/Cu2O三元复合光催化剂光催化降解效率在90 min内达到80%。4.以L-半胱氨酸为碳源通过水热法制备出碳掺杂的钨酸铋(C-BWO),以水浴加热搅拌的方式合成三元复合材料Fe3O4/C-BWO。结果表明,该三元复合材料对TC表现出良好的催化去除能力,在90 min内达到90.2%,进一步证明了碳掺杂对光催化活性的提高起到极大的促进作用,并且磁性Fe3O4的引入促进了电子的转移以及催化剂的回收再利用。
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