钙钛矿基异质结光催化剂的制备及其对有机废水的降解研究

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近年来,水体中污染物越来越多,尤其是水体中残留的抗生素慢慢富集,不仅逐渐影响到水生动植物以及菌落的正常生长,还会给人类健康带来很大的风险和威胁。为了践行绿色环保的发展理念,本文通过开发具有优异光催化活性和稳定性的钙钛矿基异质结光催化剂,结合非均相光-Fenton催化氧化技术用于抗生素头孢曲松钠(CRS)废水的降解研究。采用溶胶-凝胶法和水热法制备了一系列不同含量配比的x-SnS2/LaFeO3(x=5-50 wt.%)复合材料。通过XRD、FT-IR、XPS、SEM等表征证明了已成功构建SnS2/LaFeO3异质结;光电性能的分析结果表明,该异质结的构建有利于光生电荷的高效迁移和分离。所有光催化剂在可见光照射(λ>420 nm)下进行光-Fenton降解CRS实验,结果显示与单相的LaFeO3和SnS2相比,所有SnS2/LaFeO3复合材料均表现出更高的光催化活性,这可归因于异质结光催化与界面类Fenton反应之间的协同作用,能够在促进电子转移的同时,提高≡Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)的氧化还原过程和H2O2的活化效率,进一步促进活性物质(·OH和·O2-)的产生和利用。以筛选出的最优配比的20-SN/LFO作为光催化剂,通过单因素试验法优化降解工艺,考虑成本后的最佳工艺条件为:初始CRS浓度为20 mg/L,催化剂用量为0.5 g/L,过氧化氢用量为0.5m L,溶液pH值为7,反应150 min后CRS降解率达到了87.54%。此外,20-SN/LFO催化剂经过4次重复实验后,CRS去除率仍能保持在85.00%以上,具有较好的化学稳定性。采用溶胶-凝胶法和溶剂热法成功制备并表征了四种含量配比不同的x-Bi2S3/LaFeO3(x=5-30 wt.%)异质结光催化剂,通过光-Fenton催化降解CRS实验来比较纯LaFeO3、纯Bi2S3以及不同Bi2S3/LaFeO3复合材料的光催化性能。结果表明,当LaFeO3与Bi2S3复合后,所有Bi2S3/LaFeO3复合物的光催化活性均得到明显的改善,这可归因于异质结形成后其增强的可见光吸收能力,以及提升的光生载流子分离和迁移性能。其中,10-BS/LFO复合材料表现出最优的光催化性能,150 min后CRS去除率最高可达92.25%。10-BS/LFO催化剂的重复性能测试表明,该光催化剂没有发生显著的活性损失,其重复使用性能良好。自由基捕获实验证明·OH和h+是光-Fenton催化降解CRS过程中的主要活性物质,结合能带结构的分析,提出了Bi2S3/LaFeO3对CRS的可见光-Fenton催化降解机理。同时,探究了CRS的可能降解路径,并使用T.E.S.T.毒性评估软件工具对CRS及其中间产物进行毒性分析和预测。本文为开发具有高催化活性的光-Fenton复合催化剂用于可见光下高效处理抗生素废水提供了一种可行的方法,具有其潜在的价值和意义。
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