葡萄糖碳球基中空碳掺杂TiO2复合材料的构建及其光催化性能

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面对由抗生素引起的环境污染问题,通过TiO2光催化降解有机污染物是一种理想的解决方案。然而,抗生素类有机污染物化学性质稳定,不易降解。此外,较大的禁带宽度和较差的电荷分离效率,导致TiO2难以在可见光下实现对抗生素的高效降解。因此本论文针对TiO2基光催化剂可见光响应能力差、氧化还原活性位点不足以及电荷载流子分离效率低的问题,以葡萄糖碳球为模板和碳源,设计并制备出碳掺杂TiO2中空球。在此基础上,通过调整改性,实现了可见光下对四环素的高效去除。具体研究内容如下:(1)葡萄糖碳球基中空碳掺杂TiO2的制备及其光催化性能以水热法制备的葡萄糖碳球为模板和碳源,采用Sol-Gel法在其表面包覆TiO2壳层,随后在空气中进行煅烧,得到葡萄糖碳球基中空碳掺杂TiO2(CHTS)。通过调整煅烧的条件,成功将C元素掺杂到TiO2晶体中,构建出合适的晶体缺陷,实现可见光下对四环素的高效降解。通过光催化降解四环素测试表明,经过120 min的可见光辐射,所制备的光催化剂对四环素(TC)的去除率达到88.4%,明显高于商用TiO2(P25)对四环素的降解率。(2)CHTS@BiOBr纳米片复合材料的构建及其光催化性能以CHTS为基底,采用沉淀沉积法将溴氧化铋(BiOBr)纳米片负载在其表面,制备出CHTS@BiOBr纳米片复合材料。CHTS与BiOBr的复合,不仅可以有效改善材料的禁带宽度,提高其可见光响应能力;还可以构建异质结,实现电荷在空间上的有效分离,抑制电子-空穴对的复合,实现其可见光催化活性的进一步提升。实验结果研究表明,所制备复合材料经过120 min的可见光照射,对四环素的降解率达到93.5%,相较于CHTS提高了5.1%。(3)CHTS@Bi2O3纳米粒子复合材料的构建及其光催化性能采用蒸发沉积法,将Bi3+均匀地分散在CHTS的表面,通过在空气条件下煅烧在其表面均匀地负载Bi2O3纳米粒子,得到CHTS@Bi2O3纳米粒子复合材料(BCHTS)。Bi2O3纳米粒子在CHTS表面分散细密均匀,材料光催化活性和稳定性能都有了很大的提高。经过120 min可见光的照射,该光催化剂对四环素的去除率为97.5%,180 min可见光照射,对四环素的去除率可增加到98.4%。考虑催化剂实际应用,实验测试表明制备的BCHTS催化剂具有优秀的循环稳定性(5次循环后,对四环素仍保持96.4%的去除率),并且在自然光的照射下,可以在60 min内完全去除四环素,表明所制备的光催化剂BCHTS具有广阔的应用前景。
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