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针对酯类、酚类等有机污染物对水体造成严重污染问题。通过利用具有高效环保、无二次污染、矿化程度高等优势的光催化技术,研究了高量子产率和高光催化活性的Ag3PO4存在易光腐蚀、微溶于水、发生团聚,导致稳定性差的现象,合成了新型可见光响应的剥离膨润土基Ag3PO4光催化剂。本文具体研究内容如下:
1.通过10000r/min高速离心技术将Na-膨润土剥离,得到了剥离膨润土(EB);采用沉积沉淀法和离子交换法合成了EB/Ag3PO4和EB/Ag3PO4/AgBr。利用XRD、SEM、TEM、XPS、BET、UV-vis等表征发现EB/Ag3PO4/AgBr中,平均粒径约为5-10nm的AgBr被负载在约10-30nm相对较大的球状Ag3PO4的表面上,共同均匀分散在单层剥离膨润土上;EB/Ag3PO4/AgBr的光吸收范围拓宽到了400-800nm范围内。上述结果说明具有纳米尺寸效应及增强的光吸收强度致使EB/Ag3PO4/AgBr拥有更高的光催化氧化降解性能和稳定性,以剥离膨润土为载体,使催化剂含有大量活性位点的接触界面。
2.以EB/Ag3PO4/AgBr降解对羟基苯甲酸甲酯(MPB)作为模板反应,研究发现,EB/Ag3PO4/AgBr材料的最佳配比为AgBr:Ag3PO4为3:7,在体系pH=8,光照40min内可实现20mg/L100mL的MPB降解率为100%;对对羟基苯甲酸乙酯、对羟基苯甲酸丙酯、对羟基苯甲酸丁酯的降解率也分别高达97.97%、95.6%、93.93%。循环降解实验结果表明EB/Ag3PO4/AgBr在循环五次试验后降解率保持在91%。同时发现Ag3PO4、EB/Ag3PO4及EB/Ag3PO4/AgBr(30%)在暗反应阶段对MPB60min内的吸附率分别为1.88%、33.57%、29.45%,表明吸附和光催化氧化具有协同作用;动力学研究发现,MPB的降解遵循一级动力学模型,EB/Ag3PO4/AgBr(k3=0.0358min-1)降解MPB的动力学常数是Ag3PO4(k1=0.011min-1)的4倍,是EB/Ag3PO4(k2=0.013min-1)的2.75倍。自由基捕获实验结合LC-MS检测结果发现,h+及·OH对MPB降解的贡献率分别为74.41%和30.88%,表明h+及·OH在光催化降解过程中,通过逐步攻击MPB生成中间产物苯甲酸、3-羟基苯甲酸、4-羟基苯甲酸、壬二酸,从而实现MPB降解为CO2和H2O。
3.采用柠檬酸法合成了磁性LaFeO3,利用LaFeO3的磁性弥补EB/Ag3PO4/AgBr材料不易回收且无法完全降解有机污染物苯酚的缺陷;采用沉积沉淀法合成了EB/Ag3PO4/LaFeO3。通过XRD、TEM、BET及UV-vis表征发现,复合催化剂中存在LaFeO3(201)面对应的0.24nm及Ag3PO4(210)晶面对应的0.27nm两种不同的晶格条纹,由此推断出在LaFeO3和Ag3PO4两相之间形成了异质结结构,且未形成Ago,复合材料的表面成分为Ag3PO4和LaFeO3,材料中存在着可产生大量·OH和H2O2的OOH和OO2,使得EB/Ag3PO4/LaFeO3光吸收范围拓宽到了整个近红外区。
4.将EB/Ag3PO4/LaFeO3应用在光催化降解苯酚实验,结果发现,当掺杂40%的LaFeO3时Ag3PO4和LaFeO3半导体之间形成的异质结结构发挥了最好的光催化降解作用(苯酚降解率93.37%),当体系pH=7时EB/Ag3PO4/LaFeO3对20mg/L50mL苯酚的降解率为98%。5次循环实验发现剥离膨润土的存在使得EB/Ag3PO4/LaFeO3(81.62%)较Ag3PO4/LaFeO3(40.95%)稳定性显著提高。这表明EB/Ag3PO4/LaFeO3中EB、Ag3PO4和LaFeO3三者之间的协同效应拓宽了光吸收范围、促进了载流子对的分离和增强了材料的吸附性及稳定性。当LaFeO3沉积在Ag3PO4颗粒表面共同负载于剥离膨润土上时,形成的P-N异质结致使催化剂界面上光生载流子发生高速迁移,达到新的能量平衡,进一步增强了材料的光催化活性和稳定性。
1.通过10000r/min高速离心技术将Na-膨润土剥离,得到了剥离膨润土(EB);采用沉积沉淀法和离子交换法合成了EB/Ag3PO4和EB/Ag3PO4/AgBr。利用XRD、SEM、TEM、XPS、BET、UV-vis等表征发现EB/Ag3PO4/AgBr中,平均粒径约为5-10nm的AgBr被负载在约10-30nm相对较大的球状Ag3PO4的表面上,共同均匀分散在单层剥离膨润土上;EB/Ag3PO4/AgBr的光吸收范围拓宽到了400-800nm范围内。上述结果说明具有纳米尺寸效应及增强的光吸收强度致使EB/Ag3PO4/AgBr拥有更高的光催化氧化降解性能和稳定性,以剥离膨润土为载体,使催化剂含有大量活性位点的接触界面。
2.以EB/Ag3PO4/AgBr降解对羟基苯甲酸甲酯(MPB)作为模板反应,研究发现,EB/Ag3PO4/AgBr材料的最佳配比为AgBr:Ag3PO4为3:7,在体系pH=8,光照40min内可实现20mg/L100mL的MPB降解率为100%;对对羟基苯甲酸乙酯、对羟基苯甲酸丙酯、对羟基苯甲酸丁酯的降解率也分别高达97.97%、95.6%、93.93%。循环降解实验结果表明EB/Ag3PO4/AgBr在循环五次试验后降解率保持在91%。同时发现Ag3PO4、EB/Ag3PO4及EB/Ag3PO4/AgBr(30%)在暗反应阶段对MPB60min内的吸附率分别为1.88%、33.57%、29.45%,表明吸附和光催化氧化具有协同作用;动力学研究发现,MPB的降解遵循一级动力学模型,EB/Ag3PO4/AgBr(k3=0.0358min-1)降解MPB的动力学常数是Ag3PO4(k1=0.011min-1)的4倍,是EB/Ag3PO4(k2=0.013min-1)的2.75倍。自由基捕获实验结合LC-MS检测结果发现,h+及·OH对MPB降解的贡献率分别为74.41%和30.88%,表明h+及·OH在光催化降解过程中,通过逐步攻击MPB生成中间产物苯甲酸、3-羟基苯甲酸、4-羟基苯甲酸、壬二酸,从而实现MPB降解为CO2和H2O。
3.采用柠檬酸法合成了磁性LaFeO3,利用LaFeO3的磁性弥补EB/Ag3PO4/AgBr材料不易回收且无法完全降解有机污染物苯酚的缺陷;采用沉积沉淀法合成了EB/Ag3PO4/LaFeO3。通过XRD、TEM、BET及UV-vis表征发现,复合催化剂中存在LaFeO3(201)面对应的0.24nm及Ag3PO4(210)晶面对应的0.27nm两种不同的晶格条纹,由此推断出在LaFeO3和Ag3PO4两相之间形成了异质结结构,且未形成Ago,复合材料的表面成分为Ag3PO4和LaFeO3,材料中存在着可产生大量·OH和H2O2的OOH和OO2,使得EB/Ag3PO4/LaFeO3光吸收范围拓宽到了整个近红外区。
4.将EB/Ag3PO4/LaFeO3应用在光催化降解苯酚实验,结果发现,当掺杂40%的LaFeO3时Ag3PO4和LaFeO3半导体之间形成的异质结结构发挥了最好的光催化降解作用(苯酚降解率93.37%),当体系pH=7时EB/Ag3PO4/LaFeO3对20mg/L50mL苯酚的降解率为98%。5次循环实验发现剥离膨润土的存在使得EB/Ag3PO4/LaFeO3(81.62%)较Ag3PO4/LaFeO3(40.95%)稳定性显著提高。这表明EB/Ag3PO4/LaFeO3中EB、Ag3PO4和LaFeO3三者之间的协同效应拓宽了光吸收范围、促进了载流子对的分离和增强了材料的吸附性及稳定性。当LaFeO3沉积在Ag3PO4颗粒表面共同负载于剥离膨润土上时,形成的P-N异质结致使催化剂界面上光生载流子发生高速迁移,达到新的能量平衡,进一步增强了材料的光催化活性和稳定性。