石墨相氮化碳纳米片化学修饰及其光催化消毒应用

发布时间：2020-07-27 14:34

【摘要】：太阳能可广泛用于水消毒和净化。一种有前景的方法是通过光催化产生的活性氧簇净化水中的病原体。本论文报道了一种高效太阳能水消毒无金属薄膜材料。首先,通过改良的Hummer's法制备了边缘羧基和羰基功能化的石墨相氮化碳纳米片,通过自组装的方式将其制备成光催化薄膜,并在模拟的可见光下,测试了其消毒性能;接着通过改良自组装的方式令其功能化的边缘进行暴露,以提高消毒性能。此外,我们首次对在g-C3N4纳米片边缘暴露的羧基和羰基对促进过氧化氢的生成机制进行了深入的探究,并制备了一种表面修饰边缘官能化的石墨相氮化碳纳米片的原型固定床反应器和聚合物袋的水体消毒器件。主要研究内容包括:(1)通过一种改良的Hummer’s法,制备超薄石墨相氮化碳纳米片。通过控制浓硫酸和KMnO4氧化反应的时间、水合肼还原的方法合成了羰基、羧基、羟基(一种或多种)修饰的g-C3N4纳米片。当氧化处理时间达到30 min时,超薄石墨相氮化碳纳米片被剥离成功,且边缘被羧基和羰基官能化;随着氧化处理时间的增加,g-C3N4纳米片表面被进一步官能化上羟基。羧基、羰基、羟基的官能化可以使g-C3N4导带底部位置由1.1eV逐渐上移到1.4 eV,且随着氧官能化的程度的提高,导带底部上移的程度也会进一步提升。通过对一系列氧官能化纳米片的光生电子空穴对寿命的测试,提出了由于羟基氧原子上的价电子被困(trapping)导致载流子寿命增长的机制,该机制可以为制备新的水氧化反应的光催化剂提供有力的理论指导。(2)采用边缘羧基、羰基氧官能化超薄石墨相氮化碳纳米片(g-C3N4-30)作为原料,在玻璃片上制备了的纳米薄膜(F-g-C3N4-30)太阳光水消毒的光催化剂,使这种(5 cm2)消毒体系可在可见光的照射下,60min内达到99.9999%的灭菌效率。通过对g-C3N4-30在光照下产生的稳态活性氧簇含量及对多种活性氧簇进行牺牲试剂猝灭实验,发现氧还原相关的活性氧簇产生量很高且此类活性氧簇在消毒过程中起着最重要的作用。此外,还提出了由于g-C3N4-30的超薄二维形貌及其边缘羰基和羧基功能化导致的纳米片边缘处能带弯曲幅度增大机制。该机制能够解释羧基、羰基氧官能化超薄石墨相氮化碳纳米片光生电子空穴对复合率降低的原因。通过第一性原理模拟,证实了羰基和羧基在g-C3N4-30边缘处存在对电子的累积效应,以及边缘附近电子真空层的存在,为上述被提出的ROS生成机制提供了有力的理论证据。(3)采用边缘羰基、羧基氧官能化的超薄石墨相氮化碳纳米片作为原料,我们研发了一种令该纳米片的边缘得到暴露的薄膜自主装制备方法。这种纳米片边缘得到暴露的薄膜催化剂(F-g-C3N4-30-EP,5 cm2)体系可在可见光的照射下,30 min内达到99.9999%的消毒效率,高于使目前报道的大部分粉体光催化剂消毒体系的消毒效率。通过对该薄膜表面的元素价态、价带位置进行了研究后,我们发现由-COOH和-C=O功能化,可导致的该薄膜表面能带上移0.15 eV左右,从而进一步证实将g-C3N4-30的边缘更加有效的暴露能够进一步提高活性氧簇的生成量、提高体系的消毒性能的机制。此外,我们进一步制备了 F-g-C3N4-30-EP修饰的固定床消毒反应器和消毒密封袋。该密封袋(薄膜面积:600cm2)经一次消毒后可净化水的体积大约为10L,至少可以为四个成年人提供一天所需的无细菌的饮用水。该固定床反应器作为一种全自动水消毒装置的模型,可为设计新的水消毒工艺提供了新的指导。
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB383.1
【图文】：

现状,发展中国家,生物污染,有机物污染

全饮用水的现状Ｐ１。逡逑ｅ邋ｄｒｉｎｋａｂｌｅ邋ｗａｔｅｒ邋ｉｎ邋ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ邋ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ＾２１．逡逑，如重金属污染、有机物污染及生物质污染安全造成严重的威胁。饮用受到生物污染的。水体的生物污染存在多种形式，其中，由病原主要的因素之一。近年来，水质量标准愈发

水消毒,纳米效应

石墨相氮化碳纳米片化学修饰及其光催化消毒应用术已经在许多领域展现了光明的应用前景，并引物医药ｔ￣、环境保护催化降解有机物ｍ及消的一系列独特的优点被概括地成为“纳米效应”，这比表面积、易于官能化和量子限域效应等特性。由多的材料相比，巨大的比表面往往提供了更多反的可能性更大。此外，巨大的比表面积也赋予了宄者可以通过多种物理或化学方法有效控制其物理子限域效应可以大量提升了载流子的寿命，对于效地阻碍光生电子空穴对的复合。由于这些材料已经将纳米技术应用到水处理这一领域中［２５］。接述。逡逑

示意图,抗菌机理,纳米复合材料,示意图

消毒技术作简要的概述。逡逑Ｗｗ逡逑图１－２．水消毒中的纳米效应［２５】。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２．邋Ｎａｎｏ－ｅｆｆｅｃｔｓ邋ｉｎ邋ｗａｔｅｒ邋ｄｉｓｉｎｆｅｃｔｉｏｎ＾２５１．逡逑１．２．１使用金属纳米粒子消毒逡逑近年来，金属纳米粒子己经被作为一种消毒、抑菌材料被广泛研究。被用作消毒剂的逡逑金属元素主要包括Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ和Ｆｅ等，其中，含Ａｇ元素的纳米粒子在消毒和抑菌领域逡逑中被研究得最为广泛。目前，Ａｇ纳米颗粒（ＡｇＮＰｓ）合成方法己经较为成熟，大量的学者通逡逑过将ＡｇＮＰｓ与其他材料进行复合，提高复合材料的性能及可应用性。Ｄｅｎｇ等通过合成将逡逑ＡｇＮＰｓ和氧化石墨烯纳米片负载在密胺树脂海绵的空隙中（ＧＯ／ＡｇＮＰｓ－ＭＳ），邋ＡｇＮＰｓ和逡逑纳米薄片聚集在骨架上，取得了可以接受的消毒效果［２６］。且消毒后的水中的Ａｇ＋的浓度并逡逑

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