NCQDs/MIL-101(Fe)可见光催化降解四环素性能及机理研究

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我国是四素类抗生素生产、使用和销售大国,每年有大量四环素类抗生素药物通过不同方式进入到水环境中,对水生动植物和人类安全造成伤害,亟需开发一种新型高效的材料与技术用于抗生素废水的处理。光催化技术具有反应速率快、能耗低等优点,被广泛应用于水污染治理领域。但相关研究指出,光催化技术降解有机物的实际应用常受限于半导体材料对光较低的利用率,大多数单一半导体只能通过紫外光的激发产生光生电子和空穴来实现污染物的降解。因此我们可以通过对半导体材料进行负载,利用它们的协同作用来实现对光能的充分利用,解决单一半导体材料可见光利用率低的问题。(1)本研究采用溶剂热法和水热法分别制备了MIL-101(Fe)和NCQDs,再通过溶剂浸渍法将NCQDs负载到MIL-101(Fe)上制备出复合光催化剂NCQDs/MIL-101(Fe),拟通过NCQDs的上转换光学特性和优越的电子传递能力提高MIL-101(Fe)对可见光的利用率。借助SEM、TEM、XRD、FT-IR、BET、XPS、PL和UV-vis等一系列表征手段对催化剂的形貌、结构和光学性能进行了分析,所得结果表明复合催化剂NCQDs/MIL-101(Fe)制备成功,且复合催化剂对紫外光和可见光的利用能力均增强。(2)以四环素为目标污染物对复合催化剂的光催化性能进行评估。对比了在相同反应条件下NCQDs、MIL-101(Fe)和不同NCQDs负载量的MIL-101(Fe)等几种催化剂对四环素的光催化降解效果,实验结果表明NCQDs/MIL-101(Fe)-8对四环素具有最佳的降解效率。进一步通过NCQDs/MIL-101(Fe)-8光催化降解四环素的单因素影响实验,得到最适反应条件。在自然pH(pH=6.8)下,催化剂NCQDs/MIL-101(Fe)的浓度为0.5 g/L,初始四环素浓度为10 mg/L,光照强度为500 W的最适反应条件下,NCQDs/MIL-101(Fe)-8可在180min内实现四环素的完全去除,并且表现出良好的稳定性和重复利用性。(3)本研究还从半导体光催化技术的原理出发,通过活性物种捕获实验、Fe2+和H2O2生成量测试、微电子自旋共振波谱(ESR)和电化学测试等技术,对NCQDs/MIL-101(Fe)光催化降解四环素的反应机理进行了探讨。最后采用气相-质谱联用(GC-MS)技术对四环素降解过程中的中间产物进行检测,推导可能的中间产物结构,为光催化技术实现四环素的无害化降解提供理论依据。
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