功能化磁性石墨相氮化碳的制备及其光催化性能的研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chren1981
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无金属n型半导体材料石墨相氮化碳(g-C3N4),具有合成安全简便,化学性质稳定,响应可见光,同时具有一定的光催化性能而被应用于污水处理和环境修复,但是石墨相氮化碳(g-C3N4)的光催化性能目前存在的一些缺陷较为显著,并且使用之后难以回收,故需要通过改性提高石墨相氮化碳(g-C3N4)的光催化性能和可回收性,并寻找最佳的改性方法。提升石墨相氮化碳(g-C3N4)的光催化性能是极其重要且拥有一定的应用前景。本论文选择石墨相氮化碳(g-C3N4)与Fe3O4,Zn0.5Co0.5Fe2O4,Mn Fe2O4磁性体相结合制备了具有超顺磁性、响应可见光、便于快速分离和回收同时具有杀菌能力的三种复合材料。本论文以石墨相氮化碳(g-C3N4)为原料,分别制备出石墨相氮化碳/纳米氧化铈/磁性还原氧化石墨烯复合材料(g-C3N4/Ce O2/Fe3O4-r GO)、石墨相氮化碳/稀土钙钛矿/磁性还原氧化石墨烯复合材料(g-C3N4/Na Ta O3/Zn0.5Co0.5Fe2O4-r GO)和石墨相氮化碳/纳米二氧化钛/磁性埃洛石复合材料(g-C3N4/Ti O2/Mn Fe2O4halloysite)。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(UV-Vis-DRS)、振动样品磁强计(VSM)、电阻抗(EIS)和X射线电子能谱(XPS)对三种复合材料进行了物理表征,对其光催化性能和抗菌性能能进行了探究。具体研究内容如下:第Ⅰ部分石墨相氮化碳/纳米氧化铈/磁性还原氧化石墨烯复合材料(g-C3N4/Ce O2/Fe3O4-r GO)的制备及其光催化与抗菌性能研究首先通简单煅烧和水热法成功地合成了石墨相氮化碳/纳米氧化铈/磁性还原氧化石墨烯(g-C3N4/Ce O2/Fe3O4-r GO)磁性光催化剂,用多种手段对g-C3N4/Ce O2/Fe3O4-r GO进行了物理表征。制备的g-C3N4/Ce O2/M-r GO可以响应可见光且具有顺磁性。通过实验发现,g-C3N4/Ce O2/Fe3O4-r GO可以高效快速地降解水溶液中的雌酮(E1)和刚果红(CR),在光照110 min后对雌酮(E1)的去除率为72%,而降解刚果红(CR)仅需要用时70 min,刚果红(CR)的去除率就可以达到88%。在循环使用研究中,g-C3N4/Ce O2/Fe3O4-r GO表现出良好的可重复使用性,并且五个循环后的雌酮(E1)和刚果红(CR)去除率仍保持为70%和85%。抗菌测试说明g-C3N4/Ce O2/Fe3O4-r GO磁性纳米光催化剂具有针对奇异变形杆菌表现出较好的抗菌效果,不会使得细菌产生耐药性的基因。第Ⅱ部分石墨相氮化碳/稀土钙钛矿/磁性还原氧化石墨烯复合材料(g-C3N4/Na Ta O3/Zn0.5Co0.5Fe2O4-r GO)的制备制备及其光催化与抗菌性能研究首先通过水热反应成功地合成了石墨相氮化碳/稀土钙钛矿/磁性还原氧化石墨烯复合材料(g-C3N4/Na Ta O3/Zn0.5Co0.5Fe2O4-r GO)。同时对g-C3N4/Na Ta O3/Zn0.5Co0.5Fe2O4-r GO进行了物理表征。通过实验发现,g-C3N4/Na Ta O3/Zn0.5Co0.5Fe2O4-r GO不仅可以响应可见光,而且可以高效快速地去除水溶液中的亚甲基蓝(MB)和非甾类抗炎镇痛药布洛芬。可以观测到g-C3N4/Na Ta O3/Zn0.5Co0.5Fe2O4-r GO进行90 min的光照后,对亚甲基蓝(MB)的去除率为91.8%,同时对非甾类抗炎镇痛药布洛芬进行110 min的光照后,发现对非甾类抗炎镇痛药布洛芬去除率为80.1%。g-C3N4/Na Ta O3/Zn0.5Co0.5Fe2O4-r GO表现出良好的可重复使用性,在循环使用测试中,五个循环后的去除率只有略微下降,在抗菌实验中g-C3N4/Na Ta O3/Zn0.5Co0.5Fe2O4-r GO可以直接破坏大肠杆菌的细胞壁,使得大肠杆菌死亡,不会对环境造成二次污染,不会使得细菌产生耐药性的基因。第Ⅲ部分石墨相氮化碳/纳米二氧化钛/磁性埃洛石复合材料(g-C3N4/Ti O2/Mn Fe2O4halloysite)的制备及其光催化与抗菌性能研究磁性的存在可以保证光催化剂的回收与循环利用,考虑到前两章的内容,我们打算选择放弃还原氧化石墨烯作为骨架,为了实现经济实用的目标而选择更为常见且廉价的埃洛石作为骨架来制备磁性光催化剂。通过煅烧制备石墨相氮化碳/纳米二氧化钛/磁性埃洛石复合材料(g-C3N4/Ti O2/Mn Fe2O4halloysite),g-C3N4/Ti O2-Mn Fe2O4halloysite复合材料同时具有较小的禁带宽度和适当的可见光吸收波长范围,这显著提高其光催化性能,通过实验可以得出g-C3N4/Ti O2-Mn Fe2O4halloysie在光照80 min后对结晶紫(CV)的降解率为91.1%,光照120 min后对乙酰氨基酚的降解率为79.1%。同时构建的特殊结构使得g-C3N4/Ti O2-Mn Fe2O4halloysite复合材料可以在实际使用期间保护磁性粒子不会脱落或损伤,使得g-C3N4/Ti O2-Mn Fe2O4halloysite复合材料拥有较长的使用寿命与较好的性能,在循环使用研究中,g-C3N4/Ti O2-Mn Fe2O4halloysite复合材料表现出优秀的可重复使用性,五个循环后的去除率几乎保持不变,同时在抗菌实验中对大肠杆菌体现出较强的抗菌性能,g-C3N4/Ti O2-Mn Fe2O4halloysite复合材料可以直接破坏大肠杆菌的细胞壁,使得大肠杆菌死亡,不会使得大肠杆菌产生耐药性基因,且对环境友好。
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