磷酸铋基微纳结构材料的设计及其光催化降解抗生素研究

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近期,由于抗生素引起的环境污染问题日趋严重,受到人们广泛的关注,因此急需寻找合适的方法绿色处理水中的抗生素。光催化技术作为一项可直接将太阳能转变为化学能的新兴技术,具有效率高、重复利用率高、操作过程简单、对环境无污染等优异特性,在许多领域得到广泛的应用,如光催化分解水制氢制氧、光催化还原CO2、净化空气和各种类型的污水处理等。本文考虑将光催化技术用于处理医药废水中的抗生素,其中高效光催化剂的研发成为关键问题。设计具有良好界面接触且能带匹配的复合型光催化材料,有利于加快光生电荷的分离效率,促进抗生素降解效率的提升。本文以BiPO4催化剂为研究主体,采用具有较大比表面积的少层BN以及银单质和氮杂碳两种类型的量子点材料对其表面修饰,以期望得到高效的BiPO4复合催化剂。主要研究内容如下:(1)以BiPO4为研究主体,通过BN纳米片对其进行表面修饰,采用离子液体辅助溶剂热法合成BiPO4和BN/BiPO4材料,通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、光致发光光谱(PL)、紫外-可见漫反射光谱(DRS)和电化学阻抗谱(EIS)等表征方法确定了材料的结构、形貌、光学和电化学性质,考察了BN/BiPO4材料对喹诺酮类抗生素恩诺沙星(ENR)的光催化去除效果,并探究了BN/BiPO4材料的光催化机理。主要结论如下:表征结果证明了所制备材料为BN/BiPO4复合材料,且BN薄片分散在BiPO4纳米颗粒的表面,并在两者接触界面处紧密结合;以抗生素恩诺沙星(ENR)作为目标污染物,发现1 wt%BN/BiPO4材料的光催化活性最佳,光照120 min后降解91.5%的ENR;BN/BiPO4光催化体系中主要的活性物种是空穴、羟基自由基和超氧自由基;BN的存在减小了载流子的复合率,大大提升了自由基的浓度,从而提升光催化降解ENR的效率。(2)以BiPO4为研究主体,通过Ag QDs对其表面修饰,采用离子液体辅助溶剂热法分别合成BiPO4和Ag QDs/BiPO4光催化剂,采用XRD、FT-IR、XPS、TEM、PL、DRS和EIS等表征方法确定了材料的结构、形貌、光学和电化学性质,考察了Ag QDs/BiPO4材料对喹诺酮类抗生素环丙沙星(CIP)和恩诺沙星的光催化去除效果,并探究了Ag QDs/BiPO4材料的光催化机理。主要结论如下:通过表征可以确定所制备材料为Ag QDs/BiPO4复合材料,Ag QDs颗粒均匀分布在BiPO4纳米颗粒表面,并在两者接触界面处紧密结合;Ag QDs的引入拓宽了BiPO4的光吸收范围,增强了BiPO4材料的光吸收性能;通过测试材料对环丙沙星的降解效果,发现Ag QDs/BiPO4-0.5(0.74 wt%Ag QDs/BiPO4)光催化活性最佳,120 min的光照下可降解81.2%的CIP;以ENR为目标污染物时,Ag QDs/BiPO4-0.5可在120 min的光照下降解76.5%的ENR,具有比BiPO4更好的光催化性能;Ag QDs/BiPO4光催化体系中主要的活性物种是空穴、羟基自由基和超氧自由基;Ag QDs产生的热电子能更好的活化分子氧,加快载流子的分离效率,增加超氧自由基的浓度,从而提升光催化降解CIP和ENR的效率。(3)以BiPO4为研究主体,通过N-CQDs对其表面修饰,采用离子液体辅助溶剂热法分别合成BiPO4和N-CQDs/BiPO4光催化剂,采用XRD、FT-IR、XPS、TEM、PL、DRS和EIS等表征方法确定了材料的结构、形貌、光学和电化学性质,考察了N-CQDs/BiPO4材料对喹诺酮类抗生素CIP和ENR的光催化去除效果,并探究了N-CQDs/BiPO4材料的光催化机理。主要结论如下:通过表征证明所制备的材料是N-CQDs/BiPO4,N-CQDs量子点分散在BiPO4纳米棒表面且接触紧密;以CIP和ENR作为目标污染物,结果表明N-CQDs的引入有利于提升污染物的降解速率,N-CQDs/BiPO4-1(0.96 wt%N-CQDs/BiPO4)材料光催化降解CIP和ENR的效率最高,可在120 min光照下降解87.5%的CIP或者64.7%的ENR;N-CQDs/BiPO4光催化体系中主要的活性物种是空穴、羟基自由基和超氧自由基;N-CQDs上氧缺陷的存在以及N-CQDs本身的π共轭结构有利于提高光生电子和空穴的分离率,一定程度提升了活性自由基的浓度,最终提高CIP和ENR的去除率。
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