【摘 要】
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农业和畜牧养殖业排放的抗生素进入到水体环境中使我国的水污染状况十分严重,通过中水回用措施将污染的水源回收和处理后对农田进行灌溉,可以有效缓解农田灌溉中水资源短缺问题。而光催化技术作为一种高级氧化技术,可以低成本高效率地消除抗生素污染问题。黑磷(BP)因为各向异性、高的载流子迁移率以及带隙可调节等特性在光催化领域受到越来越多的关注,利用BP纳米片作为光催化剂处理抗生素废水具有良好应用前景。但是BP在
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农业和畜牧养殖业排放的抗生素进入到水体环境中使我国的水污染状况十分严重,通过中水回用措施将污染的水源回收和处理后对农田进行灌溉,可以有效缓解农田灌溉中水资源短缺问题。而光催化技术作为一种高级氧化技术,可以低成本高效率地消除抗生素污染问题。黑磷(BP)因为各向异性、高的载流子迁移率以及带隙可调节等特性在光催化领域受到越来越多的关注,利用BP纳米片作为光催化剂处理抗生素废水具有良好应用前景。但是BP在环境中的不稳定性、载流子复合速率高等缺点限制了其在降解抗生素方面的应用,构建稳定的表面功能化BP纳米片并与其他半导体形成良好的界面作用是关键问题。本文采用盐酸四环素和环丙沙星作为目标污染物,构建多种异质结构,确立BP与其他半导体的界面作用及耦合效应,载流子的界面传输途径,并评价抗生素光降解环境归趋和生态风险,总结归纳光催化机理。主要研究结果如下:(1)通过聚电解质功能化BP纳米片,提高BP的稳定性,并改变其表面性质,与碘氧化铋(Bi OI)构建Z体系异质结构。通过Z体系的构建,功能化的BP与Bi OI形成良好的界面作用,光激发后Bi OI价带上产生的电子跃迁到导带,进而传递到BP的价带上与空穴结合,因此Bi OI上的空穴和BP上的电子会在空间上分离,有效提高了光生载流子的分离效率。Bi OI通过与功能化的BP结合,增强光吸收能力。Bi OI与BP复合光催化材料在可见光下表现出对盐酸四环素良好去除效率,当BP添加量为5 m L时复合样品的去除率达90%。(2)利用二维功能化BP纳米片与不同维度的硫化镉(CdS)构建了异质结构,结果显示二维(2D)BP纳米片与2D CdS构建的2D-2D的复合结构对盐酸四环素和环丙沙星都表现出最佳的降解效率。相比于二维和其他维度CdS的复合催化结构,2D-2D的异质结构形成面对面的接触产生更大接触界面和更强的静电耦合作用,促进电子通过表面隧穿效应而实现快速界面穿越,有利于光生电子和空穴的分离。同时BP的掺杂量对复合催化材料也产生一定影响,当调节2D CdS中黑磷纳米片的添加量为5 m L时对盐酸四环素和环丙沙星的降解率分别达到了91.5%和92.7%。(3)对于光催化投入在实际使用中的一个难点为催化剂的回收问题,本章节通过构建了宏观三维石墨烯-黑磷-硫化镉泡沫结构,三维结构显示出良好的催化和吸附的协同作用,同时石墨烯和BP的引入提高了载流子迁移。并通过3次的循环测试,结果证明三元的复合材料的结构能够保持着良好的稳定性,其稳定的结构可以有效解决材料的回收问题,对光催化材料的实际应用提供了一种方法。
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