【摘 要】
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新兴关注污染物(contaminants of emerging concern,CEC)在自然水体、饮用水和污水处理厂出水中被频繁检出。长期存在的CEC会对水体生态环境以及人体健康造成严重威胁,因此,去除水体中微量污染物迫在眉睫。光催化技术被认为是解决能源短缺和环境问题的有效途径之一。石墨相氮化碳(g-C3N4)因其具有原材料丰富且合成简单、能带结构合适、物理化学性质稳定以及具有可见光响应的优点
【基金项目】
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国家自然科学基金(No.21768003),(No.21966024); 宁夏自然科学基金(No.2019AAC03020);
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新兴关注污染物(contaminants of emerging concern,CEC)在自然水体、饮用水和污水处理厂出水中被频繁检出。长期存在的CEC会对水体生态环境以及人体健康造成严重威胁,因此,去除水体中微量污染物迫在眉睫。光催化技术被认为是解决能源短缺和环境问题的有效途径之一。石墨相氮化碳(g-C3N4)因其具有原材料丰富且合成简单、能带结构合适、物理化学性质稳定以及具有可见光响应的优点,被誉为新一代可见光催化剂。然而,g-C3N4比表面积小、对可见光利用率低和光生电子空穴对分离效率低等缺点限制了 g-C3N4在光催化领域的应用。本文基于g-C3N4的改性,包括形貌调控、助催化剂调控以及制备多元异质结复合材料,从改变比表面积、增加活性位点、扩宽可见光响应范围、抑制电子-空穴复合速率出发,构建可调控g-C3N4基异质结光催化剂,用于环境水中有机污染物的光催化降解。论文的具体内容如下:(1)以尿素为前驱体,N2氛围,采用梯度热聚合法制得具有特殊形貌的多孔且边缘卷曲g-C3N4纳米片。特殊形貌g-C3N4提供了大的比表面积,增加了表面活性位点,抑制了电子-空穴的复合速率。在模拟可见光照射下,光催化降解环境水中四环素类和喹诺酮类,其去除率大于85%。预测了光催化降解反应中的活性自由基,提出了特殊形貌g-C3N4纳米片光催化降解机理。为进一步改善形貌可控g-C3N4光催化剂的研究提供思路。(2)以超薄MoS2纳米片为助催化剂,通过简单的超声吸附法,构建了一种新型的超薄MoS2纳米片耦合g-C3N4异质结水分散体。在模拟可见光照射下,超薄MoS2/g-C3N4异质结光催化剂对环境水中氯嘧磺隆和四环素类抗生素光催化降解去除率均大于90%,分别是g-C3N4的8.8和13.4倍。结合高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)的检测,对氯嘧磺隆的降解产物及其降解途径进行了推理。通过自由基捕获实验,预测了光催化降解反应中的活性自由基,提出了超薄MoS2/g-C3N4异质结光催化降解有机污染物的机理。(3)经水热处理的三聚氰氨作为前驱体,通过热缩聚法制备片层g-C3N4,在g-C3N4浊液中引入钛酸四丁酯,利用溶剂热法构建g-C3N4/TiO2异质结光催化剂。由于异质结界面间的紧密接触,增强了两种催化剂的协同作用。在模拟可见光照射下,1.5wt%g-C3N4/TiO2对卡马西平、乙酰氨基酚催化降解去除效率分别为93%和98%,是纯相g-C3N4的2.63和7.67倍。研究表明光催化反应体系中·OH、h+、·O2-在光催化降解过程中起主要作用的活性物质。(4)以三聚氰氨、尿素和硝酸镨的混合物为前驱体,通过热缩聚法,构建了一种g-C3N4/g-C3N4/Pr6O11三元异质结光催化剂。在g-C3N4/g-C3N4同型异质结中引入适量镨元素产生晶格缺陷,不仅抑制了电子空穴对的复合率,而且提高了其光催化活性。在模拟可见光照射下,10wt%g-C3N4/g-C3N4/Pr6O11光催化剂对磺胺类抗生素降解率高于85%。结合高效液相-色谱质谱(HPLC-MS)检测,分析了磺胺氯哒嗪和磺胺间甲氧嘧啶的光催化降解产物及可能的降解途径。猝灭实验结果表明,h+是光催化降解磺胺药物的主要活性物质。
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