【摘 要】
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在科学技术飞速发展的21世纪,环境问题是一个令人关注的话题。近年来,石油资源的严重短缺和相关的环境污染要求丰富而可持续的清洁能源。研究人员开始高度重视新能源的研究与开发。太阳能被广泛认为是一种绿色清洁、低成本和丰富的能源,深受广大研究者的青睐。基于太阳能的光催化技术已成为废水抗生素降解和污染修复极具吸引力的技术。然而,不合适的带隙结构、缓慢的迁移率和光子产生的电荷载流子的快速复合通常限制了催化剂的
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在科学技术飞速发展的21世纪,环境问题是一个令人关注的话题。近年来,石油资源的严重短缺和相关的环境污染要求丰富而可持续的清洁能源。研究人员开始高度重视新能源的研究与开发。太阳能被广泛认为是一种绿色清洁、低成本和丰富的能源,深受广大研究者的青睐。基于太阳能的光催化技术已成为废水抗生素降解和污染修复极具吸引力的技术。然而,不合适的带隙结构、缓慢的迁移率和光子产生的电荷载流子的快速复合通常限制了催化剂的光催化性能。因此,开发理想的光催化剂有效地将太阳能转化为化学能,通过可见光响应实现高性能光催化过程具有重要的现实意义。迄今为止,Au,Ag,Pt等贵金属纳米颗粒作为最好的助催化剂,已被广泛研究并实际应用。然而,贵金属的低丰度和高价格严重限制了这些光催化系统的应用。因此,双金属复合材料因其优异的原子间协同作用已成为催化领域的重要发展方向。值得注意的是,高性能光催化剂的发展、原子比对催化性能的影响以及相应的催化机理鲜有探讨。(1)本研究通过制备不同组成和形貌的前驱体,然后通过简单的加氢热还原合成了两类MnCo2和Co Mn2双金属非半导体光催化剂。与同样由Mn和Co组成的半导体Co Mn2O4和MnCo2O4相比,双金属在光催化活性方面表现出显著的优势。实验结果表明,MnCo2-190双金属具有最出色的光催化活性和循环稳定性,这主要体现在65 min内对诺氟沙星(NOR)的降解率达到98.91%,其降解反应动力学常数分别是Co Mn2O4和MnCo2O4的2.02倍和2.36倍。实验分析、密度泛函理论计算、X射线光电子能谱、扫描开尔文探针和表面光电压表明,金属Co的引入导致双金属中的电子发生离域,使电子传输更容易,最终赋予双金属更优异的导电性能,从而提升光催化性能。深入的机理研究表明,MnCo2-190双金属的主要活性位点是Mn,而Co在刺激双金属的导电性从而提高光催化性能方面起着关键作用。该工作为抗生素降解提供了一种高性能的光催化剂,并提出了一种基于双金属光介电协同效应的光催化降解机理,这可能会启发更多有效催化剂的扩展设计。这项工作还为其他类型的双金属光催化剂的设计和制备提供了一种有效且简单的制备策略。(2)本研究采用水热法和共沉淀法成功合成了分布均匀的中空MnCo2O4/CoO纳米立方体(NBs),并详细观察了合成过程中材料的形貌差异。通过在可见光照射下对抗生素卡马西平(CBZ)和环丙沙星(CIP)进行降解评估其光催化活性和稳定性。实验结果表明,MnCo2O4/CoO NBs纳米复合材料表现出优异的光催化性能和出色的循环稳定性。在MnCo2O4/CoO NBs中,催化性能的提高主要归因于所构建的光催化剂具有中空内腔以增强可见光吸收,多孔以促进快速传质,薄壳以缩短光生电子的迁移距离,紧密粘附以加速有效电荷分离和迁移。同时,中空多孔MnCo2O4/CoO NBs的高表面积提供了丰富的催化反应活性位点。自由基捕获和电子自旋共振(ESR)实验以及降解的路径分析证实,羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O2ˉ)以及光生空穴(h+)是降解CBZ和CIP的主要活性物种。此外,MnCo2O4/CoO NBs的顺磁性可以使纳米复合材料的分离更容易,可重复利用率高,避免加工过程中的环境污染,具有相当重要的商业价值。
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