碳氮掺杂氧化钛光催化降解性能研究

通过轻度刻蚀氧化层状前驱体MAX(Ti_(3) AlCN),成功制备了碳氮掺杂氧化钛(CN-TiO_(x))催化剂,通过XRD、TEM、XPS对其形貌与结构进行了表征,通过UV-Vis、Mott-Schottky曲线分析了其光电特性,通过UV-Vis评价了其在模拟太阳光下对亚甲基蓝(MB)的光催化降解性能,通过瞬态光电流响应、电化学阻抗、电子顺磁共振测试及牺牲剂对比实验对其光催化降解机制进行了探究。结果表明,通过控制刻蚀氧化时间,可以精确调控CN-TiO_(x)催化剂的光吸收能力和电荷传输性能;随着刻蚀氧化时间的延长,其光吸收边向可见光区红移,从而促进了光催化过程中的激子跃迁,形成的Ti^(3+)活性位点有助于促进反应物的化学吸附与活化;催化过程中的活性氧物种主要是光生空穴、超氧阴离子自由基和羟基自由基;刻蚀氧化15 h得到的CN 15-TiO_(x)表现出较高的光催化降解性能,在模拟太阳光下对MB的降解率在50 min内达到了88%。

科教融合与“双碳”理念下材料综合实验教学改革——以“g-C_(3)N_(4)纳米片制备及其在光催化降解中的应用”为例

基于科研成果设计了g-C_(3)N_(4)纳米片制备及其光催化降解应用实验教学项目。该项目包含了g-C_(3)N_(4)纳米片的制备和表征,并探索了在不同条件下制备得到的g-C_(3)N_(4)纳米片对有机染料和抗生素的光催化降解效率。本实验项目内容可操作性强,设备及耗材要求低,绿色安全,并且通过该实验教学项目可以有效提升学生的创新能力及综合能力,在实验教学中也实现了科教融合及“双碳”理念的落实。

Ag/质子化g-C_(3)N_(4)纳米棒材料的制备及其光催化降解性能

制备了Ag负载于质子化g-C_(3)N_(4)(pCN)的纳米棒材料(Ag/pCN),对比了g-C_(3)N_(4)(CN)、表面负载Ag的CN(Ag/CN)、pCN和Ag/pCN在可见光条件下光催化降解亚甲蓝(MB)溶液的效果。结果表明,Ag/pCN光催化效率最高(92.63%),并且具有良好的稳定性;通过光电流-时间(I-t)曲线、Nyquist曲线、Mott-Schokkty曲线和捕获实验探究了Ag/pCN光催化降解MB的机理:虽然pCN的π共轭体系较CN发生变化,但由于形成了纳米棒,其比表面积的增加以及Ag负载的协同效应致使Ag/pCN具有优异的光催化性能。光催化过程中羟基自由基(·OH)是起主要作用的活性物质,其由光生电子(e^(-))与表面吸附的O_(2)反应产生以及光生空穴(h^(+))与H_(2)O或OH^(-)反应产生。

ZnO的绿色合成及光催化降解模拟废水研究

以甘露醇为模板剂,通过绿色合成途径,分别采用化学沉淀法和水热合成法制备ZnO。使用X-射线粉末衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对样品的结构和形貌进行表征,用亚甲基蓝模拟工业废水中的有机污染物,对ZnO样品光催化降解模拟废水的性能进行研究。实验结果表明,2种方法合成的样品均为分散程度较好的六方纤锌矿结构,ZnO样品微粒尺寸随甘露醇用量的增加而减小。通过化学沉淀法得到的ZnO样品表面呈蚕蛹状且内部中空,通过水热合成法得到的ZnO样品呈牡丹花状。以甘露醇为模板制得的ZnO样品均能有效降解亚甲基蓝,催化降解反应符合准一级反应动力学特征。

基于SDS临界胶束浓度调控BiOBr合成及其光催化降解头孢拉定研究

以十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)为模板剂,采用沉淀法制备了不同胶束浓度条件下的BiOBr光催化剂(SBr-1、SBr-2、SBr-3、SBr-4).通过XRD、SEM、BET表征BiOBr晶体结构、形貌和比表面积,结果表明在SDS为临界胶束浓度(8.0×10^(-3)mol/L)时制备的SBr-2具有较好的结晶度、特殊的形貌和最大的比表面积;运用UV-vis DRS吸收光谱、PL光谱、EIS电化学抗阻谱等表征BiOBr光电特性,结果证明SBr-2具有良好的可见光吸收能力和电子空穴分离效率.在可见光照射(λ≥420 nm)下,选用头孢拉定(cefradine,CFD)为目标污染物研究光催化活性,结果表明SBr-2具有最好的光催化活性,150 min内降解率达到98%.此外,通过自由基捕获试验,发现该光催化过程超氧自由基和空穴为主要活性物种.本研究为表面活性剂调控改善BiOBr结构、形貌和晶相提升其光催化活性提供了理论参考.

基于不同Bi2WO6形貌下光催化降解四环素性能研究

该文以Bi(NO3)3·5H2O和Na2WO4·2H2O为原料通过水热法合成Bi2WO6,重点研究通过改变水合加热时间和溶液酸碱性,不同合成条件对Bi2WO6产物形貌的影响.借助扫描电子显微镜(SEM)对Bi2WO6形貌进行分析.实验结果显示,溶液酸碱性和加热时间均对Bi2WO6的形貌有较大影响,水合加热时间也对其形貌有很大的影响.此外,通过在可见光下降解四环素(TC),探讨了不同合成条件对催化剂性能的影响.实验结果表明,酸碱性会破坏Bi2WO6的结构,进而降低其光催化性能.当水合加热时间为25 h时,Bi2WO6的降解效率最高,降解效果约为50%.

疏水改性羰基铁负载TiO_(2)光催化降解石油烃污染物

采用磁性羰基铁颗粒作为载体,负载纳米TiO_(2)制成复合光催化剂,并对复合催化剂表面进行疏水亲油改性,制备得到具有疏水亲油特性的负载型纳米TiO_(2)复合光催化剂。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱仪(FTIR)和紫外-可见光谱仪(UV)等,表征了复合催化材料的晶相组成和微观形貌,评价了催化材料的疏水亲油性能、磁回收性能,对比研究了普通沸石负载型TiO_(2)催化剂和疏水改性羰基铁负载型TiO_(2)催化剂对三种石油烃污染物降解效果,并进一步考察了催化剂加载量和循环使用对石油烃降解效率的影响。结果表明,疏水改性羰基铁负载型TiO_(2)催化剂具有疏水亲油特性,可使得非极性石油烃类污染物能更好地与催化材料的活性位点接触,且由于催化材料颗粒具有磁性,在磁场作用下易于回收;新型催化材料对水中的石油烃类污染物具有更好的降解效率,常规TiO_(2)/沸石催化剂的光解效果对污染物的最大去除率为75%左右,而TiO_(2)/改性羰基铁的最大去除率可以达到95%,且降解速率更快,随着催化剂浓度的增加,降解效果提高,但当浓度进一步增加至4g·L^(-1)时,降解效果下降;在重复使用过程中,复合光催化材料活性降低不明显,说明复合催化材料的稳定性较好。

一例Mn配合物对有机染料分子的光催化降解性能

采用水热法,以MnSO_(4)·H_(2)O和4-(3,5-二羧基苯基)-吡啶甲酸(H_(3)pja)为原料合成了一例新的Mn配合物,其分子式为[Mn_(3)(H_(2)pja)_(2)(Hpja)_(2)(H_(2)O)_(8)]·2H_(2)O(简称配合物Mn).采用X-射线单晶衍射对其进行了结构解析,结果表明该配合物为零维结构.采用X射线粉末衍射表征了其相纯度.并且重点研究了配合物Mn在可见光照射下对有机染料分子甲基橙(MO)、罗丹明B(RhB)的光催化降解性能.结果表明,配合物Mn对甲基橙有一定的催化降解效果,降解率为61.9%,而对罗丹明B的催化降解效果更好,降解率可达98.5%.

PMS协同Ce改性BiOBr材料光催化降解四环素

采用溶剂热合成法制备Ce(Ⅲ)改性BiOBr催化剂(Ce/Bi摩尔比0.1%~2%),通过XRD、SEM-mapping、XPS、UV-Vis等手段对其结构进行表征分析;以四环素为目标污染物,首次提出构建PMS/Ce(Ⅲ)改性BiOBr光催化体系降解四环素,考察催化剂种类、催化剂投加量、PMS摩尔浓度和p H等因素对反应体系降解四环素效果的影响。结果表明:Ce(Ⅲ)和Bi(Ⅲ)发生同晶置换,使得Ce(Ⅲ)改性BiOBr的最大吸收波长出现蓝移,提高光生电子和空穴的分离效率;PMS协同Ce(Ⅲ)改性BiOBr光催化降解四环素最佳条件:Ce与Bi的摩尔比为1%,投加量为1.0 g/L,PMS浓度为0.3 mmol/L,pH=9;四环素降解过程中,反应体系内主要活性物种为空穴,其贡献远高于硫酸根自由基和单线态氧。经重复利用实验证实,Ce改性BiOBr材料结构具有良好的稳定性。

Ⅱ/Z型Bi_(2)MoO_(6)/Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)异质结可见光催化降解四环素

构建异质结能够有效抑制光催化剂中光生电子和空穴的快速复合。本研究采用水热法、煅烧法以及溶剂热法合成了Ⅱ/Z型Bi_(2)MoO_(6)/Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)异质结光催化剂,利用不同研究手段分析材料的组成、形貌以及光电化学性能。结果发现,复合材料的最佳组成为25%ABOBM(Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)和Bi_(2)MoO_(6)的质量比为1:4)。在可见光照射下25%ABOBM对四环素(TC)的降解效率可达85.6%,明显高于Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)和Bi_(2)MoO_(6),而且三次循环实验后仍具有良好的稳定性。25%ABOBM光催化性能的提高可归因于Ag_(2)O、Bi_(2)O_(3)以及Bi_(2)MoO_(6)之间异质结的构建和特殊形貌的形成。自由基捕获实验和电子顺磁共振谱(EPR)结果表明,h+和·O2-在TC的降解过程中发挥着主要作用,而·OH和1O2发挥着次要作用。实验还探索了相关光催化机理,并利用液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)对TC可能的降解路径进行了分析。本研究为双异质结光催化剂的制备及其在有机污染物降解应用方面提供了新的思路。

氧化锌纳米颗粒光催化降解T-2毒素性能分析

为了利用光催化技术实现T-2毒素的高效、绿色降解,本研究采用绿色温和的溶剂水热法制备出结晶度高、分散性良好的0D ZnO纳米颗粒光催化材料,并通过高分辨透射电子显微镜、瞬态光电流响应等表征手段对其性质以及光催化降解T-2毒素性能、影响因素和机理进行探究。结果表明:成功制备得到平均粒径约为43.23 nm的ZnO纳米颗粒,经条件优化后可以在240 min内通过光催化降解去除超过95%初始质量浓度为5μg/mL的T-2毒素,降解动力学常数达0.0299μg/(mL·min),催化剂最佳质量浓度为0.5 mg/mL,最佳适用体系的pH值为5~9。光电表征结果确定了ZnO具有良好的光吸收和响应性能以及电荷分离性能,并确定羟自由基在T-2毒素降解中起主导作用。本实验结果可为相关领域绿色高效降解、转化和去除T-2毒素提供有效理论参考和技术支持。

胡敏酸对纳米二氧化钛光催化降解土霉素的影响

胡敏酸普遍存在于土壤中,可与环境中的纳米二氧化钛结合,从而改变纳米二氧化钛的性质及其与共存污染物的相互作用机制。研究以土霉素作为代表性环境污染物,通过模拟太阳日照探究胡敏酸对纳米二氧化钛光催化降解土霉素的影响。结果显示:土霉素在溶液中易光解,碱性条件更易于光解,猝灭试验表明羟基自由基与超氧自由基参与了光解;土霉素的降解率与纳米二氧化钛投加量、溶液初始pH值正相关,与溶液土霉素初始质量浓度负相关;胡敏酸对纳米二氧化钛光催化降解土霉素兼具促进与抑制作用,胡敏酸初始质量浓度为100 mg/L、250 mg/L时,可促进土霉素的光催化降解,而胡敏酸初始质量浓度为500 mg/L、1000 mg/L时,形成的复合物会抑制土霉素的光催化降解。

S型TiO_(2)/CoPc异质结的构筑及光催化降解四环素的研究

半导体光催化技术是解决环境污染问题的有效策略。TiO_(2)是目前应用最广泛的半导体之一。然而,较宽的带隙和载流子的快速复合制约了它的实际应用价值,通过构建异质结可以有效解决上述问题。通过酞菁钴(CoPc)原位复合得到了S型的TiO_(2)/CoPc异质结,二者匹配的能带结构使光生载流子得到有效分离。同时,金属Co离子中心可以活化过一硫酸盐(PMS)。光催化实验结果表明,TiO_(2)/CoPc异质结+PMS在可见光下照射60 min可实现72%的盐酸四环素(TC)降解。与TiO_(2)+PMS相比,反应速率提升了11倍,这是因为光生电子改善了Co^(2+)/Co^(3+)的循环,异质结中载流子的高效分离和Co^(2+)/Co^(3+)循环起协同效应,实现了对TC的高效降解。

浒苔生物炭/氮化碳复合材料对三嗪类除草剂的可见光催化降解性能与机制

针对聚合氮化碳(CN)材料比表面积小,光致电子-空穴重组率高的问题,本研究利用废弃浒苔,结合原位煅烧法,制备了浒苔生物炭/氮化碳复合材料(BCE/CN),用于三嗪类除草剂的催化降解.浒苔中富含的铁元素可有效提高CN对可见光的吸收利用性能,BCE/CN对西玛津、莠去津、西草净和莠灭净4种三嗪除草剂的1 h降解率分别提升43.0%、22.5%、31.0%和66.7%.高角环形暗场-扫描透射电子显微镜结果表明,Fe在复合材料中以单原子和团簇形式分布,并与CN中的N以配位键形式结合.活性物种捕获实验证明,光致空穴在除草剂降解过程中发挥决定性作用,单线态氧以及羟基自由基也一定程度参与反应.此外,系统研究了催化剂用量、除草剂初始浓度、反应温度和pH值对降解过程的影响,并在实际环境水样中评价BCE/CN的催化活性.本研究为三嗪类除草剂的高效降解提供了新方法,也为废弃生物质再利用提供了新思路.

油脂中黄曲霉毒素B_(1)的控制及光催化降解研究进展

黄曲霉毒素B_(1)(aflatoxin B_(1),AFB_(1))的控制是油脂加工领域的难题。受技术水平限制,我国食用油脂及制品中AFB_(1)限量标准难以达到国际高水平。AFB_(1)的性质较稳定,在油脂加工过程中难以完全脱除。目前,在严格控制原料品质的基础上,借助碱炼工序等方法使AFB_(1)水解再经水洗脱除是我国油脂加工领域常用的脱除AFB_(1)的方法。但对于利用物理压榨工艺制取的风味油脂,仍需开发新技术以兼顾油脂的品质和安全。近年来,高效且无二次污染的光催化技术引起广泛关注。本文在综述了油脂中AFB_(1)控制措施的基础上阐述了光催化降解AFB_(1)的原理、光催化效率增强途径、AFB_(1)降解路径等,以期为开发高效、安全、经济的光催化剂,光催化技术在油脂加工领域的应用,及油脂中AFB_(1)控制新技术的研发等提供参考。

钒钛磁铁矿尾矿/高岭土复合整体材料的制备及光催化降解罗丹明B的研究

在钒钛磁铁矿的开发利用过程中形成了大量堆积的尾矿,既造成土壤污染,还危害周边居民的身体健康。因此,开发钒钛磁铁矿尾矿的有效利用方法具有重要意义。本实验使用钒钛磁铁矿尾矿和高岭土为基体、硅溶胶为粘接剂、氯化铵为改性剂,制备了钒钛磁铁矿尾矿/高岭土复合整体材料,考察了制备条件对材料光催化降解罗丹明B的影响,使用XRF、XRD、SEM、BET、XPS和UV-Vis DRS对制备的材料进行了表征。结果表明,制备的复合光催化材料在60 min内对罗丹明B的去除率达到了71.5%,4次重复使用后,对罗丹明B的光催化降解仍具有一定效果。研究对钒钛磁铁矿尾矿的整体利用及“以废治废”综合利用有一定意义。

镉基MOF的合成及光催化降解亚甲基蓝性能研究

在水热条件下,利用1,2,3-丙烷三羧酸(H 3ptc)、1,10-邻菲罗啉(phen)与醋酸镉合成得到一例金属有机骨架材料Cd(Hptc)(phen)。晶体结构分析表明,双核镉单元通过4个丙烷三羧酸氢根配体的桥联作用形成沿[100]方向的一维链,链与链之间通过π…π堆积和氢键作用完成三维超分子构筑。以不同染料为目标降解物,考察标题配合物的光催化降解性能。结果表明,在可见光照射300 min后,该催化剂对MB有较好光催化降解性能,去除率达75.3%,降解反应符合一级动力学过程。

TiO_(2)@C/g-C_(3)N_(4)的制备及其光催化降解四环素

采用一步煅烧法制备了二元异质结光催化剂TiO_(2)@C/g-C_(3)N_(4),运用XRD、TEM、XPS和能带结构分析等多种技术手段对其进行了表征,考察了TiO_(2)@C/g-C_(3)N_(4)在模拟可见光照射下对四环素(TC)的光催化降解性能.表征结果显示:TiO_(2)@C附着在g-C_(3)N_(4)表面上,二者之间形成了传统Ⅱ型异质结.实验结果表明:TiO_(2)@C/g-C_(3)N_(4)催化剂比g-C_(3)N_(4)和TiO_(2)@C催化剂具有更高的光催化活性,在TC质量浓度20 mg·L^(-1),GTC-2(Ti_(3)C_(2)的重量为0.06 g)加入量0.3 g的条件下,经光照射80 min后,TC去除率可达87.3%,速率常数为0.026 min^(−1);经过5次循环实验后,TC去除率从87.3%略微降低至80%,表现出良好的稳定性和可重复利用性.GTC-2光催化降解TC过程中发生的氧化还原反应分别在TiO_(2)@C和g-C_(3)N_(4)的表面进行,TiO_(2)@C与g-C_(3)N_(4)之间高度紧密的接触面形成了Ⅱ型异质结,实现了电子和空穴的快速分离,降低了二者在催化剂内部的复合速率,提高了催化性能.电子自旋顺磁共振谱(EPR)测试结果表明,TC降解过程中起主要作用的活性物质有超氧自由基(·O_(2)−)、空穴(h^(+))及羟基自由基(·OH).

掺杂型钴基钙钛矿的合成及光催化降解有机废水

以金属硝酸盐为原料,采用溶胶凝胶法控制合成了Ce、Mn掺杂的钴基钙钛矿系列催化剂,通过XRD、SEM、TEM、XPS、EPR等方法探究了催化材料的结构特性,并以茜素红和酸性品红作为探针有机污染物,探究在氙气灯条件下的光催化降解性能,其茜素红和酸性品红降解率分别可达95%和90%以上,催化剂在循环使用6次后仍保持良好的降解稳定性。结果表明,Mn、Ce元素的引入促进了LaCoO3基钙钛矿比表面积的增大,且在晶体结构中形成了更多结构缺陷,XPS、ERP及反应前后的红外测试结果表明材料结构中的氧空位缺陷可促使茜素红结构中的醌式结构瓦解,进而促进光催化降解性能提升。同时,表面氧物种及氧空位是主要的光催化降解有机污染物活性物种,LaCo0.7Ce0.3O3因其适宜的结构性能而表现出最优的光催化降解性能。

过渡金属离子掺杂TiO_(2)光催化降解汽油气的性能研究

采用溶胶-凝胶法制备了空白TiO_(2)及过渡金属离子(Ni、Fe、Ag、Zn)改性的光催化剂,利用FT-IR、XRD和SEM等方法对其进行表征。以汽油气为目标污染物,考察了不同工艺条件对光催化剂降解汽油气性能的影响。结果表明,与空白TiO_(2)相比,过渡金属离子改性的光催化剂晶粒尺寸明显减小,表面分散均匀且羟基数量增加,其中Zn离子改性的光催化剂对汽油气具有最佳的催化降解效果;在Zn/TiO_(2)摩尔比为0.2%、煅烧温度为550℃、汽油气初始质量浓度为14042.55 mg/m^(3)、光催化剂质量为30 g、光照强度为36 W/m^(2)的最佳降解条件下,3 h内对汽油气的降解效率达到了76.6%。