基于碳材料和银基化合物的复合纳米材料的制备及其吸附光催化性能研究

发布时间：2020-06-20 03:27

【摘要】：近年来,随着社会的发展水体污染问题日益严重,因此急需寻求解决办法。传统处理污水技术包括化学沉淀法、离子交换法、电化学法等,这些方法均不易分离且会产生有毒副产物,而吸附和光催化技术在用于水中污染物的过程中具有的高效、彻底等优点引起了人们的广泛关注。以石墨烯为代表的碳材料因具有大的比表面积、优良的导电性等优点,是一种有良好发展前景的吸附材料,并且常被用于光催化剂的载体,但存在不易分离、循环性能差等缺点。银基半导体材料,是一类新型的窄带隙光催化材料,具有优异的可见光光催化活性,是近年来研究的热点,但是银基化合物稳定性较差,易发生光腐蚀,使催化活性降低。对于光催化半导体而言,影响其光催化效率的因素包括结构、形貌和与污染物的接触面积。同时,将吸附剂或者光催化剂与以四氧化三铁为代表的磁性粒子复合是提高其循环利用效率的一个有效途径。因此,本论文针对碳材料和银基半导体存在的上述不足,我们开展了以下四个方面的研究工作:(1)首先利用水热法制备了具有立方结构的Fe_3O_4磁性纳米粒子,然后在其表面包覆一层碳,形成Fe_3O_4@C,再在其表面进行羧基化修饰,以便与L-半胱氨酸反应而得到-SH掺杂的Fe_3O_4@C,最后再与制得的氧化石墨烯-聚醚酰亚胺(GO-PEI)进行交联反应,最终得到S-掺杂的Fe_3O_4@C/GO复合磁性纳米材料。通过TEM、XRD、FTIR、XPS等对产物进行了表征。然后以MB和Cu~(2+)为污染物模型,探讨了GO/Fe_3O_4@C-SH复合材料对Cu~(2+)和MB的一步富集与磁分离效果。结果表明:其可以同时去除水中的MB和Cu~(2+);对MB和Cu~(2+)的最大吸附量分别为117.8 mg/g和76.9mg/g;其吸附等温线比较符合Langmuir模型,即单层吸附。(2)在预先制备的rGO/Fe_3O_4复合材料表面原位沉积Ag_3PO_4纳米粒子,得到rGO/Fe_3O_4/Ag_3PO_4复合材料。通过TEM、FESEM、XRD、FTIR、XPS等对产物进行了表征。以RhB,MB等染料为研究对象,探讨了rGO/Fe_3O_4/Ag_3PO_4复合材料在处理水中单组分污染物和混合污染物时的吸附-光催化降解效果与循环利用性能,此外,还研究了pH值对复合材料吸附-光催化降解有机染料的影响。结果表明:复合材料对MB-RhB混合溶液中MB和RhB的吸附量分别为62%和52%,而对单组份的MB和RhB的吸附量分别为58%和55%,说明复合材料对单组份污染物溶液中染料的吸附能力和对双组分污染物溶液中染料的吸附能力不同;在光照30 min时,复合材料对MB的去除率达100%,对RhB的去除率也可达92%;在碱性条件下,复合材料对MB的光催化降解活性更高,而在酸性条件下,复合材料对RhB的光催化降解活性较高;复合材料循环6次后,光降解效率几乎不变。(3)通过水热法制备生长有银纳米粒子的三维石墨烯水凝胶(3D Ag/GH),再在三维石墨烯上生长的部分银纳米粒子表面生长Ag_3PO_4,从而得到三维多孔结构的Ag/Ag@Ag_3PO_4/GA复合材料。通过FESEM、XRD、FTIR、XPS、、BET、PL和UV-Vis等对产物进行了表征,并对3D Ag/Ag@Ag_3PO_4/GA复合材料吸附-光催化降解不同芳香型染料(MO、MB、NR、RhB)的效果进行了研究。此外,我们以选定的一种污染物(RhB)为研究模型,比较了所制备的复合材料与其他三种磷酸银基光催化剂(GO/Ag_3PO_4、Ag/Ag@Ag_3PO_4/GO和Ag_3PO_4纳米粒子)的吸附-可见光光催化性能,同时对所制备的3D Ag/Ag@Ag_3PO_4/GA的循环性能及光催化过程中的活性物质进行了探讨。研究结果表明:所制备的3D Ag/Ag@Ag_3PO_4/GA复合材料对阳离子染料展现出更好的吸附-光催化降解效果,复合材料浓度越大对染料的吸附力越强;与其他三种磷酸银基光催化剂相比,3D Ag/Ag@Ag_3PO_4/GA复合材料对Rh B染料的吸附-光催化效率最高;·OH自由基和空穴是光降解过程中的主要的活性物种;复合材料还具有优于GO/Ag_3PO_4的循环性能。(4)首先通过水热法制备了BiPO_4/Ag_3PO_4棒状(NRs)复合材料,再通过水热法与氧化石墨烯(GO)水溶液进行复合,从而得到了3D BiPO_4/Ag_3PO_4NRs/石墨烯气凝胶(3D BiPO_4/Ag_3PO_4NRs/GA)复合材料。通过FESEM、XRD、FTIR、XPS和UV-Vis等对产物进行了表征。以RhB为研究对象,探讨了BiPO_4/Ag_3PO_4NRs/GA对RhB的吸附-光催化降解效果。结果表明:BiPO_4/Ag_3PO_4NRs/GA在用于水处理时,在可见光下较紫外光下有更高的催化活性。
【学位授予单位】：郑州轻工业学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;O643.36
【图文】：

示意图,石墨,富勒烯,碳纳米管

郑州轻工业学院工程硕士学位论文烯中，每个碳原子与相邻的碳原子均以共价键结合，构成独特的p轨道和碳原子提供的未成键电子形成一个π电子可以在晶体大的共轭体系也使其电子传输能力很强。其次，石墨烯拥有优知具有最大机械强度的材料，石墨烯中的碳原子形成稳定的[14]。Lee等[15]对石墨烯的机械特性做了研究，结果表明，石墨m，杨氏模量约为1.1 TPa，这个理论值比世界上最好的钢铁还烯的理论比表面积值为2600 m2/g，它还具有两面都可以吸附和面。稳定的表面使其与其他材料进行复合时非常困难，这也进一步。而石墨烯的重要衍生物氧化石墨烯(GO) ，其上具有非常丰具有良好的亲水性和表面活性，因此极易通过修饰和改性得到。

过程图,过程图,污染物,有机染料

2.1 前言随着我国工业的发展，重金属离子和有机染料等污染物经常会存在于工厂排放的废水中，这些污染物对人体产生了直接和间接的危害。吸附技术具有成本低和可以同时去除混合污染物的优点，因此，用吸附技术来处理这些污染物是非常轻便快速的[78]。碳纳米材料，如碳纳米颗粒和石墨烯作为纳米吸附剂在处理污染物时均具有好的吸附性能[79]。然而，由于其颗粒较小且极易溶于水导致了他们很难回收加以重新利用，因此它们利用的成本之高也阻止了它们的实际应用。近年来，有很多文章报道，磁性碳材料不仅可以有效地去除水中重金属离子或有机污染物，还可以通过简单的磁分离将材料回收进行循环利用[80-82]。除静电作用外，去除重金属离子的途径还可以通过材料表面修饰的-COOH、-NH2、-OH、-OCH3、-CONH2、-SH等官能团的螯合作用，去除苯环类有机染料可以通过π-π堆垛作用。但是目前文献中所报道的磁性碳纳米复合材料大部分是主要针对吸附单一组份污染物而设计和研究的[83]，鲜有用于同时去除污水中金属离子和有机染料的可循环吸附材料的报道。

【参考文献】