新型MIL-101(Fe)/BiOBr S型异质催化剂用于高效光催化降解抗生素和还原六价铬:光催化性能分析和光催化机理研究

水污染对生态环境和人类健康造成了巨大危害,特别是水体中抗生素和重金属具有毒性且难生物降解,已经引起科研工作者的广泛关注.传统的水处理技术难以有效地消除这些污染物.近年来,人们致力于开发绿色、低碳且高效的光催化技术用于解决环境污染问题,该技术实现大规模应用的核心在于开发出经济、高效的光催化剂.由于单一半导体光催化材料(如BiOBr)存在一些缺陷(如有限的催化活性位点和光生电子-空穴快速复合等),因此,构建具有可见光响应、高暴露活性位点和强氧化还原能力的异质结特别是新兴的梯(S)型异质结是去除这些污染物的有效策略之一.MIL-101(Fe)是一种新型的可见光驱动的金属-有机配体框架材料,具有强还原活性、高比表面积和较好的可见光吸收能力,因此,将氧化型的Bi OBr与还原型的MIL-101(Fe)进行合理设计,构筑S型异质结,有望开发出高效的催化材料.本文采用溶剂热法成功制备了一种新型的MOF基S型异质结MIL-101(Fe)/BiOBr,用于可见光照射下光催化还原六价铬(Cr(Ⅵ))和降解抗生素恩诺沙星.结果表明,在单一污染物体系中,MIL-101(Fe)/BiOBr可有效还原99.4%的Cr(Ⅵ)和氧化分解84.4%的恩诺沙星.值得注意的是,在Cr(Ⅵ)和恩诺沙星共存的条件下,MIL-101(Fe)/BiOBr对(Cr(Ⅵ))和恩诺沙星的去除效率明显提升,这主要是由于S型催化剂、Cr(Ⅵ)和恩诺沙星之间具有协同效应.MIL-101(Fe)/BiOBr催化剂活性增强的主要因素如下:(1)MIL-101(Fe)提供了大量的活性位点,改善了催化材料的光吸收能力.(2)S型载流子分离路径不但促进了电子和空穴的高效分离,而且增强了体系的氧化还原能力.此外,采用自由基捕获实验、电子自旋共振波谱仪、液相色谱-质谱联用技术以及毒性分析软件,系统分析了光催化反应机理、抗生素分解过程和中间产物的生物毒性.综上,本文提供一种简单有效的策略来构筑高活性的MOF/无机半导体S型异质结材料用于高效净化水体环境.