铁基尖晶石/过一硫酸盐体系可见光催化效能研究及制备参数优化

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目前,我国已成为全球最大的抗生素生产国和出口国,其中第三代氟喹诺酮类(FQs)抗生素的典型代表——环丙沙星(CIP),被广泛用于医疗,畜牧业和水产养殖。CIP在环境中很难被生物降解,自然环境中CIP的存在对人体和生态系统构成了潜在威胁。高级氧化工艺(AOPs)被视为去除水环境中抗生素有前景的工艺,近十年来,基于硫酸根的高级氧化工艺(SR-AOPs)由于其优越的性能和对有机污染物分解的适应性而受到越来越多的关注。尖晶石铁氧体MFe2O4和基于尖晶石铁氧体的复合材料作为可见光(Vis)催化材料,与过一硫酸盐(PMS)联合生成硫酸根自由基(SO4·-),分解一些难降解的有机污染物,是当前热点关注的方向之一。MFe2O4的推广应用存在一些局限,如各类铁基尖晶石光催化效能缺乏横向对比、催化效能受制备方法和参数的影响大、MFe2O4/PMS/Vis复合体系各因素作用机制尚不明确的问题、可见光催化活性尚待提升等。因此,基于铁基尖晶石协同可见光活化PMS的性能对比研究和稳定提升尖晶石类铁磁材料光催化效能成为研究焦点。本研究通过一步水(溶剂)热法制备了MFe2O4(M=Mn、Ni、Fe、Zn、Co)铁基尖晶石材料,将其用于协同可见光活化PMS降解CIP,探讨材料对PMS的活化效能和可见光的协同作用,并结合物相结构、表面形态和光电响应表征,探讨影响材料活化效能和协同可见光催化提升效能的因素,发现MFe2O4能有效活化PMS,产生1+1>2的效果;铁基尖晶石的晶相结构和粒子形貌会影响材料表面的羟基活性位点与PMS的接触,从而影响MFe2O4的催化效能;MFe2O4具有较窄的禁带宽度(2.0~2.5e V),具有良好的可见光催化性能,光照通过促进材料的电子分离和迁移,延缓光生电子-空穴复合的进程,协同提升了体系的光催化效能。以ZnFe2O4为代表,研究了不同的水热制备工艺(水热温度T、前驱液p H值、水热时间t)对铁基尖晶石光催化性能的影响,从光生电荷行为方向探讨了制备工艺对材料光催化性能影响的内在原因。水热制备工艺参数在一定范围内的变化不会改变ZnFe2O4样品的晶相,但会改变其强度和结晶度;不同的水热制备工艺会影响材料的团聚程度和粒径大小,影响捕获光子和光生电子-空穴的扩散分离;同样的,制备工艺还会影响材料的禁带宽度和电子-空穴复合率,最终导致其活化PMS降解CIP的不同效能。最后,采用Box-Behnken响应面模型,基于光催化降解效能对ZnFe2O4的最佳制备工艺进行调控,得到了不同水热制备工艺参数对光催化降解速率kobs:Y响应的二次回归方程,模型适应性良好。研究发现水热制备工艺参数之间存在交互作用,其中前驱液p H值为主要影响因素。优化后的ZnFe2O4材料协同可见光活化PMS降解CIP的速率常数提升至原始制备材料的1.52倍。研究结果为MFe2O4/PMS/Vis体系降解抗生素性能提升提供了可行的方法。
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