类水滑石缺陷结构构筑及其光催化降解抗生素研究

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我国农业和畜牧养殖业大量的使用抗生素导致自然水体中抗生素含量较高,进而造成环境污染、危害生物体健康。光催化技术是一种高级氧化技术,能够高效地处理水体抗生素污染问题。层状双氢氧化物(layered double hydroxides,LDHs)材料因其特殊的层状结构、大的比表面积和可调节的带隙结构,为光催化降解的设计、优化和机理研究提供了一条新的途径。层状结构的LDHs表现出一定的光催化性能,但由于LDHs材料较大的横向尺寸和厚度限制其活性位点的暴露数量,因此影响LDHs光催化活性的高效表达。此外光催化剂存在的难回收问题,限制了其进一步走向实际生产应用。因此采用化学刻蚀、等离子体处理、聚氨酯泡沫负载等方法制备具有缺陷结构的类水滑石光催化材料,增加表面活性位点,解决光催化剂回收问题,并且提高光催化降解抗生素废水性能。本文采用盐酸四环素(TC)作为目标污染物,研究缺陷LDHs的形貌、结构,分析其光电性质对催化活性的影响,并评价TC光催化降解的生态风险,总结归纳光催化机理。主要研究结果如下:(1)采用尿素选择性刻蚀的方法制备边缘活性位点丰富的环状Co Fe Al-LDHs。LDHs表现出较高的吸附活性和光催化效率,对TC的降解效率达到70.3%。由于合成过程中Al3+的溶解度明显低于Co2+,在纳米片的核心区域存在梯度增加的Al3+成分。因此,尿素水解产生的OH-对Al3+的选择性刻蚀导致了中心塌陷纳米结构的形成。吸附能力优异的LDHs能够立即与光生短寿命自由基发生反应,提供大量的活性位点,从而提高电子和空穴的分离效率,进而增强光催化降解TC的性能。(2)通过介质阻挡等离子体放电刻蚀处理Co Fe Al-LDHs,等离子体放电介质为水介质,具有刻蚀均匀、产生高活性空位等特性,将Co Fe Al-LDHs刻蚀成中空LDHs纳米片,导致了纳米片中多种空位(O、Co和Fe)的形成。处理后的LDHs暴露了更多的活性位点,暴露的活性位点有利于光生电子空穴对的分离,且缺陷结构显著提高了光催化性能。研究了缺陷程度和光催化活性之间的关系,发现LDH-90的降解效率是普通LDHs的4.1倍,对TC的降解效率达到79.0%。(3)通过浸渍将柔性多孔有机基质聚氨酯泡沫(PUF)与Co Fe Al-LDHs纳米整合为高效稳定的光催化剂,再利用Na BH4微还原法引入缺陷至LDHs催化剂中,构建了具有可回收性质的光催化材料。由于Na BH4还原作用,Co Fe Al-LDHs中纳米片表面完整性降低,继而在一定程度上引入缺陷结构到Co Fe Al-LDHs中。微还原的LDH-20光催化剂处理盐酸四环素光催化降解效率达85.2%,与LDHs光催化剂相比得到了显著提升。
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