新型Bi2MO6(M=W,Mo)光催化材料对水体中有机污染物的降解行为及机理研究

来源 :湖南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zouximu19840420
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工业化进程的推进使得经济得到了发展,但同时也引起了严重的环境污染问题,其中水环境污染问题尤为突出。染料和抗生素是典型的水体有机污染物,具有持久性、生物蓄积性以及潜在的生态毒性,对人类社会以及自然环境造成了严重的威胁。因此,研发绿色、经济、高效的水体有机污染物去除方法迫在眉睫。Bi2MO6(M=W,Mo)光催化材料独特的晶体结构和优异的物理化学属性使其在有机污染物降解方面展现出巨大的潜力。然而Bi2MO6(M=W,Mo)光催化材料光生载流子复合速率快、光吸收能力差以及表面反应速率慢等缺点限制了其实际应用。基于此,本论文通过一些改性方法制备出新型Bi2MO6(M=W,Mo)基光催化材料,并以染料和抗生素作为水体典型有机污染物,探究Bi2MO6(M=W,Mo)基光催化材料对水体有机污染物的降解效果,同时研究其催化降解有机污染物的行为机理以及不同有机污染物的催化降解路径。主要研究内容如下:第一部分选用Bi2Fe4O9半导体与Bi2WO6复合构建Z型异质结。该Z型异质结可以高效地催化降解水体中的罗丹明B,同时该异质结还具有很强的稳定性。其优异的污染物降解性能主要来源于三个方面:一方面,异质结的构建可以加速Bi2WO6中光生载流子的分离和迁移;另一方面,Bi2Fe4O9的添加可以拓宽Bi2WO6的光响应范围;最后,Bi2Fe4O9和Bi2WO6所构建的Z型异质结可以同时保留Bi2Fe4O9导带电子的强还原能力以及Bi2WO6价带空穴的强氧化能力,从而加快表面反应速率。本研究探究了初始罗丹明B浓度、溶液p H以及水体中共存离子等因素对罗丹明B降解效率的影响,并进一步研究了不同因素的内在影响机制,从而为优化实验条件提供实践经验和理论基础。同时,本研究还将制备的Bi2Fe4O9/Bi2WO6用于两种实际水体的处理来探究该催化剂的实际应用性。此外,本研究通过各种表征技术探究了罗丹明B的降解机理和降解路径,从而更加清楚地了解其降解过程。在第一部分的基础上,第二部分选用与Bi2WO6具有相同晶体结构但光响应范围更广的Bi2Mo O6来构建新型光催化剂。本研究采用超薄二维(2D)Bi2Mo O6和超薄2D g-C3N4来构建超薄2D/2D Bi2Mo O6/g-C3N4Z型异质结光催化剂。该光催化剂具有三个优点:首先,超薄2D纳米材料中载流子从材料内部迁移到表面的距离被缩短,使得载流子分离和迁移的效率提高;其次,与第一部分所制备的Bi2Fe4O9/Bi2WO6异质结相比,2D/2D异质结中两个材料的接触面积更大,更有利于载流子在两个材料之间的迁移;最后,超薄2D g-C3N4可以作为2D Bi2Mo O6的载体,提高Bi2Mo O6的分散程度,从而暴露更多的活性位点用于吸附和催化反应。实验结果表明,该2D/2D Z型异质结可以高效地降解水体中的环丙沙星。此外,经多次循环实验后,该催化剂对环丙沙星的降解效率依然保持在较高水准,证明了其优异的稳定性和重复利用性。且该催化剂在多种实际水体的处理方面也表现优异,说明具有良好的实用性。此外,本研究通过各种表征技术探究了环丙沙星的降解机理和降解路径,从而更加清楚地了解其降解过程。第二部分证明2D/2D Z型异质结能够提高电子和空穴的迁移效率,但Bi2Mo O6导带电子和g-C3N4价带空穴的复合使得量子效率降低。基于此,本研究提出将2D纳米材料Ti3C2与Bi2Mo O6复合构建2D/2D Bi2Mo O6/Ti3C2肖特基异质结来解决上述问题。此外,Ti3C2还具有以下三个优点:第一,Ti3C2表面含氧官能团数量较多,可以提供大量活性位点;第二,Ti3C2表面的低价态Ti具有强还原性,能够提升异质结催化剂的氧化还原能力;第三,Ti3C2的类金属属性使得Bi2Mo O6与Ti3C2形成肖特基异质结,肖特基异质结能够有效地抑制载流子的复合,使得催化性能提升。实验结果表明,Bi2Mo O6/Ti3C2肖特基异质结能够高效地活化分子氧产生具有强氧化性的活性氧物种来催化降解水体中的四环素,在90分钟内对四环素(10 mg?L-1)的降解效率可达85.45%。同时,该催化剂能够有效地去除多种实际水样中的四环素,进一步说明该催化剂具有很强的实用价值。此外,本研究通过各种表征技术探究了四环素的降解机理和降解路径,从而更加清楚地了解其降解过程。前三个部分通过构建不同异质结的方式来提升载流子的分离和迁移效率,从而增强Bi2MO6(M=W,Mo)光催化降解有机污染物的效率,但Bi2MO6(M=W,Mo)的光响应范围并未得到很大的拓宽。因此,本研究采用N和S共掺杂的石墨烯量子点(N,S-GQDs)以及纳米金(Au)修饰2D Bi2Mo O6来拓宽其光响应范围至近红外区域,从而解决Bi2Mo O6可见光吸收范围窄这一局限性。同时N,S-GQDs和Au的修饰也能加速载流子的分离和迁移。结果表明,该催化剂在可见光和近红外光下均能实现土霉素的高效降解。该催化剂出色的催化性能归因于N,S-GQDs和Au的协同效应。首先,N,S-GQDs和Au优异的电子转移和存储特性加速了光生载流子的分离和迁移。其次,N,S-GQDs独特的上转换发光能力可以将近红外光转化为紫外光和可见光,然后被Bi2Mo O6吸收,从而拓宽Bi2Mo O6的光利用范围。最后,Au的局域表面等离子共振效应能够增强吸收光的强度。同时,本实验中负载少量的Au就可以实现优异的污染物降解效果。因此,该催化剂在水体有机污染物的去除方面存在很大的优势。此外,本研究通过各种表征技术探究了土霉素的降解机理和降解路径,从而更加清楚地了解其降解过程。
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