含Sn水滑石基材料对有机废水污染物的光催化降解性能

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工业化进程的加快,使排放的有机废水污染物日益增加,给生态环境造成了巨大的威胁。因此,对有机废水污染物的有效处理已经引起了人们的高度重视。传统的半导体材料虽有一定的光催化性能,但其仅能利用太阳光中的紫外光区,量子产率低,且稳定性差,不利于拓展应用。本论文基于水滑石材料的特殊构造,一方面,成功将Sn合入层板中,得到含Sn的水滑石光催化材料;另一方面,引入过渡金属氧化物CeO2与ZnSn-LDHs前驱体进行复合,而后经焙烧得多金属氧化物复合的光催化材料。同时,以含Sn的水滑石和多金属氧化物的复合物为光催化剂,择优选择了多种具有代表性的有机物(对氯苯酚、亚甲基蓝、甲基橙和罗丹明B)为降解对象,研究了材料的光催化性能;并利用液-质联用、气-质联用和密度泛函理论计算推断了光催化反应路径。综上所述,本论文主要的研究内容和结论如下:(1)采用共沉淀法和湿法浸渍法合成了两种类型的含Sn水滑石包括ZnSn-LDHs和SnO2/ZnAl-LDHs,以及作对比的ZnAl-LDHs,通过X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、比表面积测量(BET)等技术对样品进行分析表征。以可见光催化降解对氯苯酚(4-CP)为模型,详细研究了不同类型含Sn水滑石的光催化活性。结果表明:ZnSn-LDHs具有窄的禁带宽度和高比表面积等有利因素,在可见光照射下,表现出更高的光催化活性,对4-CP的降解率达到92.4%(去除量34.6 mg/g)。此外,光催化降解机理的研究表明,该降解反应的中间产物主要是对苯二酚和4-氯邻苯二酚。(2)以不同量CeO2复合的ZnSn-LDHs为基体,经不同温度焙烧得到光催化活性较高的CeO2/ZnO/SnO2复合氧化物。对材料进行了X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见漫反射图谱(UV-Vis DRS)等分析表征,并联合密度泛函理论(DFT)对样品的态密度进行了计算。以甲基橙(MO)和亚甲基蓝(MB)的混合溶液(CMO:CMB=1:1)为目标降解物,探究了CeO2含量和焙烧温度对材料光催化性能的影响。结果表明:随着CeO2含量和焙烧温度的增加,复合氧化物对MO和MB的去除率也增加。当CeO2含量为20%,焙烧温度为700℃时,复合氧化物呈现出最高的光催化活性,对MO和MB的降解率均高达95%以上。同时,结合实验检测结果和理论计算,推测了混合染料中MO和MB可能的降解路径。(3)以CeO2含量为20%,焙烧温度为700℃时的CeO2/ZnO/SnO2复合氧化物为光催化材料,进一步用于降解罗丹明B(RhB)和亚甲基蓝(MB)混合染料溶液(CRhB:CMB=3:1)的研究,并详细探讨了催化剂用量、初始pH值、反应温度等因素对材料光催化性能的影响。复合材料的晶型、表面形貌和光学特性分别由X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见漫反射图谱(UV-Vis DRS)进行表征。由实验结果得:在CeO2/ZnO/SnO2用量为30 mg,溶液初始pH值6.09,反应温度35℃,RhB初始浓度12 mg/L,MB初始浓度4 mg/L,光照时间420 min的最佳实验条件下,CeO2/ZnO/SnO2表现出很高的光催化活性,对RhB和MB的降解率均超过98%。此外,基于RhB和MB分子的FED计算结果,初探了CeO2/ZnO/SnO2对RhB和MB的降解路径。
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