编号：FTJS107673
篇名： 石墨相氮化碳改性材料的制备及其光芬顿降解盐酸四环素的研究
作者： 任广琴
关键词： g-C3N4; 元素掺杂; 异质结; 光芬顿机制; 抗生素废水;
机构：东北电力大学
摘要： 目前,非均相光芬顿催化技术作为高级氧化工艺之一,由于其氧化能力强、反应速度快、环境友好等特点,在抗生素类污染物的去除中具有广阔的前景。其中,选择具有高催化能力和稳定性的光芬顿催化剂是该技术的关键。石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种有前途的层状催化剂,它的大表面积、良好的可见光响应特性、高稳定性和易接近性使它在抗生素类污染物的降解中具有优异的催化活性。然而,它的宽禁带和高的光生载流子复合效率限制了它的应用。因此,探究一种合成简单、环境友好且具有高光生电荷载流子分离和转移能力的催化剂来实现有效的光芬顿过程是迫在眉睫的。 本研究通过元素掺杂和构建异质结的方法对g-C3N4进行改性,主要制备了三种简单、新型、高效、环境友好的复合光芬顿催化剂,全面的探究了不同复合催化剂在光芬顿降解四环素废水中的催化活性和稳定性,并深入探讨了各组分、光催化和芬顿反应之间的协同作用在提高催化性能方面的主要机理。主要研究内容如下所示: 1、通过元素掺杂和异质结构建手段,采用煅烧法、水热法和溶剂热沉淀-煅烧法成功制备了Fe3CN/BMO-3 Z型光芬顿催化剂。采用一系列表征对催化剂的表观形貌、晶相结构、元素组成进行分析。以四环素为目标污染物、四环素的去除效率为指标对催化剂的光芬顿活性进行探究。相对于单一催化剂而言,Fe3CN/BMO-3复合催化剂表现出最高的催化活性,在最佳条件下可去除95.54%的四环素,并具有良好的稳定性。催化剂活性的提升机制得益于Fe的掺杂可以缩短带隙并增加可见光的吸收能力。同时,Z型异质结的构建可为光芬顿反应提供更好的电荷转移途径,从而增强电荷的空间分离。此外,生态毒性评估和大肠杆菌培养实验显示Fe3CN/BMO-3光芬顿体系能显著降低四环素的生物毒性。 2、通过元素掺杂和异质结构建手段,采用煅烧法、共沉淀法和超声煅烧法成功制备了新型AFO/FCN Z型p-n异质结光芬顿催化剂。利用一系列表征对催化剂的形貌、晶相结构、元素价态及电子转移进行分析。以四环素为目标污染物、四环素的去除效率为指标对催化剂的光芬顿活性进行探究。Z型p-n异质结的形成可避免Z型n-n异质结氧化还原能力弱的缺陷,通过Z型界面电荷转移诱导e-–h+的分离并提高氧化还原能力,从而提高复合材料的催化活性。电化学测试表明AFO/FCN复合催化剂具有更高的导电率,有利于电子-空穴对的分离和界面电荷的转移。实验结果表明,AFO/FCN复合催化剂的催化活性高于单一组分的催化剂,在30 min内可去除95.39%的四环素,且具有良好的抗离子干扰能力和优异的稳定性。此外,毒性评估和种子发芽实验表明AFO/FCN光芬顿体系能显著降低四环素的生物毒性,从而被证明是一种环境友好的催化剂。连续流反应器的构建显示该光芬顿体系可实现长期、连续和高效的四环素降解。 3、通过异质结构建手段、结合光芬顿技术和光热效应,采用煅烧法、水热法和溶剂热沉淀-煅烧法成功制备了具有光热效应的新型CN/Mo S2/MIL-53（Fe）双Z型异质结光芬顿催化剂。Mo S2的引入为催化体系提供了光热效应,催化过程中产生的“热电子”可加速e-–h+的分离效率,分子的剧烈运动使四环素与活性物质有着更多的接触机会。并且,“热电子”在释放能量之前可参与氧化还原催化反应,加速CN/Mo S2/MIL-53（Fe）中Fe3+/Fe2+的循环转化,从而促进光芬顿对四环素的降解。同时,在双Z型机制中,由于电子迁移速度快,MIL-53（Fe）和Mo S2 CB中的e-分别与Mo S2和CN界面VB中的h+发生明显的迁移和结合,从而进一步促进光生载流子的分离效率、提升Fe3+/Fe2+的循环速率、减少催化剂的消耗。实验结果表明,CN/Mo S2/MIL-53（Fe）光芬顿体系在30 min内可去除92.53%的四环素,且具有优异的抗离子干扰能力和稳定性。此外,综合实验和相关表征提出了四环素可能的光芬顿降解机制和降解路径,连续流装置的构建和毒性评估显示该催化体系具有优异的实际应用性和环境友好性。