基于石墨相氮化碳光催化剂制备及其光催化降解有机污染物机理探讨

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每年都有大量的有机污染物进入环境中,如工业生产中含有化学染料的废水排放、畜牧业和医疗废水中含有抗生素的排泄物等。化学染料是相对常见的有机污染物,如罗丹明B(RhB)。偶氮染料RhB广泛存在于纺织、化妆品和印刷废水中,由于其毒性和非生物降解性,已被广泛研究。此外,抗生素是近年来的一个主要问题。在使用的抗生素中,以四环素类和氟喹诺酮类药物消耗最多。四环素(TC)和环丙沙星(CIP)作为有代表性的四环素类抗生素和氟喹诺酮类抗生素在水生环境中过量积累。对医院和制药废水的研究表明,CIP和TC浓度分别高达31 mg/L和100-500 mg/L。水生环境中的抗生素对人类健康和水生生态系统的潜在不良影响引起了越来越多的关注。接触抗生素可能导致肠道微生物群介导的代谢和免疫疾病,如糖尿病、炎症性肠病等。传统的污水处理技术由于抑制了细菌的增殖而不能有效降解抗生素。从环境中去除它们是至关重要的。到目前为止,已经探索了多种去除有机污染物的方法,如物理吸附法、光催化降解、超声等。其中,光催化由于其对有机污染物具有极强的氧化降解,甚至能将大部分有毒化合物完全矿化的能力,被认为是一种有效的废水处理方法。氮化碳(g-C3N4)具有热化学性能稳定,制备方法简单,原材料简单易得的优点,禁带宽度为2.7 eV,在光催化领域引起了极大的关注。本文研究基于氮化碳复合材料的制备及其光催化降解有机污染物的机理,通过构建Z型异质结、形貌调控、元素掺杂、负载助催化剂的方式合成两种基于氮化碳的复合材料,并以有机污染物为目标物研究复合光催化材料在不同光照下的光催化活性,通过对实验结果和表征结果的分析探讨,对光催化降解有机污染物的机理提出合适的解释。所做的主要工作如下所示:(1)通过冷凝回流的方式合成Z型氮化碳量子点/超薄钨酸铋纳米片复合光催化材料(CNQDs/BWO),光催化降解实验表明,CNQDs/BWO复合光催化材料对有机污染物的降解具有很好的光催化活性。其中质量比例为5%的CNQDs/BWO复合光催化材料的光催化性能最好,在可见光照射条件下,60 min内可降解87%的TC和92.51%的RhB。在近红外光照射条件下,其对TC的降解效率是纯钨酸铋的2倍。CNQDs具有上转换特性能够将近红外光转换成可见光有助于增强复合材料对可见光的利用,从而使复合材料在近红外光照射条件下仍具有光催化活性。由可见光和近红外光下相似的降解趋势推断出可见光和近红外光下的催化机理是相同的。CNQDs/BWO在宽谱光照射下的光催化活性增强可归因于Z型电荷转移机制,不仅可以保持较高的氧化还原电位,还可以有效促进电荷分离。综上所述,引入CNQDs构建CNQDs/BWO复合材料可以显著提高可见光和近红外光下的光催化性能,进而提高其对有机污染物的降解效率。(2)采用煅烧的方式合成磷掺杂中空管状g-C3N4/碳化钨复合光催化材料(P-TCN/WC),光催化降解实验表明,P-TCN/WC对抗生素的降解具有很强的光催化活性。其中质量比例为8%的P-TCN/WC的光催化活性最好,可见光下,60 min可降解93.76%的TC,120 min可降解76.21%的CIP。P-TCN/WC光催化活性的增强主要是由于光吸收的增加和光生电荷载流子复合的减少两个方面。一方面,P掺杂扩大了光的吸收边缘,中空管状形貌促进了光的利用,而且由于WC的负载,P-TCN/WC的光吸收在整个可见光区域都扩大了。总之,在P-TCN/WC中会有更多的空穴和电子被激发。另一方面,P掺杂和具有铂类贵金属助催化性能的WC的负载使得光生电荷载流子复合无论是体相还是空间都明显降低。即P-TCN/WC中的激发空穴和电子将用于抗生素的降解。
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