碳基材料修饰MIL-101(Fe)耦合可见光活化过硫酸钠催化降解双酚A

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双酚A(BPA)广泛分布于水环境中,由于其具有良好的水稳定性,常规方法处理效果有限。基于光催化和过硫酸盐高级氧化技术联用是一类高效处理难降解有机物的新兴处理技术。传统类Fenton催化剂仍存在Fe(III)和Fe(II)转化速率慢、光吸收能力有限等问题。金属有机框架材料(MOFs)具有大量的不饱和金属位点和较高的比表面积,作为非均相类Fenton催化剂已引起广泛关注。开发具有较快Fe(III)/Fe(II)循环转化速率的MOFs基非均相类Fenton催化剂对去除环境中的难降解有机污染物具有重要的现实意义。本研究首先分别对氮化碳(g-C3N4)和碳量子点(CQDs)进行改性,然后通过溶剂热法制备了两种碳基材料修饰的MIL-101(Fe)复合催化剂,并对其催化活性和降解有机物污染物的反应机理进行了研究。主要结论如下:采用超声辅助液相剥离法将块状g-C3N4剥离成纳米片CN,并通过溶剂热法合成了高催化活性的CN/MIL-101(Fe)复合材料。利用CN/MIL-101(Fe)复合材料在可见光下激活PS产生SO4·-加速降解BPA。CN/MIL-101(Fe)/PS/vis体系在60min内对BPA的去除率可达95.9%,其降解速率分别为CN/PS/vis和MIL-101(Fe)/PS/vis体系的4.4倍和3.2倍。CN/MIL-101(Fe)/PS/vis体系的催化降解效果在一定条件下随污染物浓度的降低、催化剂投加量的增加、PS投加量的增加和初始p H的降低而提高。CN/MIL-101(Fe)/PS/vis体系在BPA催化降解过程中产生的主要活性物质对目标污染物降解的贡献作用大小为:h+>·O2->SO4·->·OH。采用两步水热法将N,S:CQDs封装在MIL-101(Fe)的骨架中,与MIL-101(Fe)相比,N,S:CQDs/MIL-101(Fe)复合材料拓宽了可见光的吸收范围。构建的N,S:CQDs/MIL-101(Fe)/PS/vis体系,60 min内对BPA的降解率可达到100%,其降解速率为MIL-101(Fe)/PS/vis体系的3.6倍。N,S:CQDs/MIL-101(Fe)/PS/vis体系最佳工艺参数为BPA初始浓度为20 mg/L,催化剂投加量为0.4 g/L,PS投加量为3 mmol/L。通过自由基捕获实验、瞬态荧光和光电测试等手段揭示了N,S:CQDs/MIL-101(Fe)/PS/vis体系中存在光催化和非均相类芬顿协同作用。N,S:CQDs的引入增强了可见光的吸收能力,产生更多的电子空穴对,更多的光生电子作用于MIL-101(Fe)的金属中心促进了Fe(III)/Fe(II)循环,实现对PS的持续活化。此外,N,S:CQDs/MIL-101(Fe)/PS/vis体系表现良好的稳定性和催化活性,复合材料的构建有效抑制了铁离子流失。
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