磁性铋系复合光催化剂的制备及其对水体中典型止痛药的降解研究
发布时间：2021-10-09 10:07
残留于水体中的止痛药对水生生物及人类具有慢性毒性的风险,而具有降解有机污染物能力的半导体光催化剂近年来引起学者们的广泛重视。铋系光催化剂因其可见光响应能力强、禁带宽度窄及稳定性良好等特点也备受关注。然而,光生电荷易复合、纳米颗粒易团聚、光催化活性不高、不易回收等缺点限制了一元铋系光催化剂的实际应用。因此,本论文针对上述存在的问题制备了三种易回收、高催化活性的磁性铋系复合光催化剂,以水体中典型止痛药卡马西平、双氯芬酸、布洛芬（初始浓度:10 mg/L）为目标污染物,对比分析了制备的磁性铋系复合光催化剂与一元光催化剂的催化性能,探究了常见离子与共存物质对其催化性能的影响,阐明了光催化剂降解止痛药的机理及降解产物路径,证明了制备的磁性铋系复合光催化剂具备良好的再生利用性能,为水体中残留止痛药的去除及铋系光催化剂的应用提供理论数据和技术支撑。本论文主要研究内容和成果概括如下:1.通过改良的一步水解法制备了磁性生物炭基铋系复合光催化剂Fe3O4/BiOBr/BC。管状芦苇生物炭（BC）的引入有效地解决了BiOBr纳米颗粒易团聚的问题,提高了光生电荷的分...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水体中止痛药的来源与迁移途径Fig.1-1Sourcesandmigrationpathwaysofanalgesicsinwater
能带理论，半导体材料的能带结构较特别，区别于绝缘体和金属，具有价电子所占据的能带—价带（VB，ValenceBand）和未被电子占满的能带—导带（CB，ConductionBand）位置，两者之间电子所不能占有的能量状态为禁带（BandGap）[57]。光照下，当光子能量等于或大于半导体禁带宽度时，VB上的电子会被激发并跃迁到CB上，产生光生电子空穴对，CB上的光生电子（e-）具有较强的还原能力，VB上的光生空穴（h+）具有较强的氧化能力，可以迁移至半导体表面的不同位置，产生活性基团如·OH、·O2-等进而降解污染物分子。具体反应过程见图1-2。理想情况下，半导体光催化剂的光生e-和h+可以发挥各自很强的氧化还原能力使得污染物完全降解。然而，实际过程中，大部分光生e-和h+或从半导体内部扩散到表面前就已经发生复合—体相复合，或迁移至表面时进行复合—表面复合，进而使其氧化还原能力大大下降，光催化活性明显降低[58]。因此，为了充分发挥半导体光催化剂独特的自身优势，如何提高其载流子分离，保证更多的光生电子和空穴参与反应体系，是当前光催化技术发展领域的重要研究课题。目前，国内外学者已经成功地在降解有机污染物、还原重金属离子、去除气象污染物、灭菌等领域运用半导体光催化技术，并取得一定研究成果[56,59]，进一步证明了半导体光催化技术在环境保护领域具有广阔的应用前景。图1-2半导体光催化技术反应过程机理Fig.1-2Reactionmechanismofsemiconductorphotocatalytictechanology1.2.2铋系光催化剂简介目前，光催化剂根据关键元素类型主要分为钛系光催化剂、镉系光催化剂、铋系光催化剂和非金属光催化剂等。其中，铋系光催化剂带隙较窄、可被可见光激发、稳定性良好且无毒无害，近年来成为研究热点。
兰州大学硕士学位论文磁性铋系复合光催化剂的制备及其对水体中典型止痛药的降解研究11上，通过这一途径光生电子空穴对可以实现有效分离[110]。Z型结构是光激发下，低还原电位CB上的光生电子与低氧化电位VB上的光生空穴复合，而高还原电位CB上的光生电子和高氧化电位VB上的光生空穴各自发挥强氧化还原性，也实现了光生电荷的有效分离[111]。图1-3常见的半导体异质结构建机理图Fig.1-3Mechanismofcommonheterojunctionsemiconductorconstruction迄今为止，已有一些关于铋系光催化剂与其他半导体构建异质结的研究报道，主要包括铋系光催化剂/磁性材料[112]、铋系光催化剂/铋系光催化剂[113]、铋系光催化剂/钛系光催化剂[114]、铋系光催化剂/镉系光催化剂[115]、铋系光催化剂/类石墨氮化碳[116]等，在消毒杀菌、去除有机污染物及重金属等领域均具有较强的效果。结合本文研究重点，特对铋系光催化剂/磁性材料异质结进行探讨。构建磁性铋系异质结可有效解决铋系光催化剂分离回收难、催化活性低、光生电荷易重新复合等问题。常见的磁性材料有铁氧体（如MnFe2O4、CoFe2O4、ZnFe2O4等）、金属氧化物（如Mn3O4、Co3O4、Fe3O4、γ-Fe2O3等）及纯金属（如Fe0、Co等）。Duangjam等[117]利用水热法合成了新型磁性异质结CoFe2O4/BiVO4，其光催化活性明显高于纯BiVO4，难降解有机污染物亚甲基蓝去除率240min内可达72.47%，这归因于构建的II型异质结有利于光生e-及h+的迁移，降低复合概率。Niu等[118]制备了磁性异质结光催化剂γ-Fe2O3/BiOI，在钨丝灯照射下120min内对染料甲基橙和抗生素磺胺吡啶的去除率分别可达67.6%和64.1%，均高于纯BiOI的去除效率，良好的磁性也有助于材料从水相中分离。Jiang等[119]利用Fe3O4量子点改性BiOCl/BiVO4p-n型异质结，合成的20%F
【参考文献】：
期刊论文
[1]增强可见光催化活性的Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂的制备（英文）[J]. 江天贵,王楷,郭婷,吴晓勇,张高科. Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
[2]香蒲活性炭的制备及对双氯芬酸的吸附研究[J]. 徐爽,林子增,杨海,何秋玫,周瑜. 森林工程. 2019(06)
[3]碳量子点-半导体复合光催化剂研究进展[J]. 张国英,魏雪敏,巴依吉丽,王冰玉. 天津师范大学学报(自然科学版). 2019(04)
[4]花球状BiOBr制备及其在超级电容器中应用[J]. 邓玲娟,杜磊磊,高乐. 化学研究与应用. 2019(05)
[5]光诱导腐殖酸产生自由基对天然水中雌二醇光降解效能的影响[J]. 孙昊婉,张立秋,封莉. 环境工程学报. 2017(11)
[6]铋单质及其复合材料在光催化中的应用[J]. 张小婧,刘旸,张骞,周莹. 化学进展. 2016(10)
[7]碳材料修饰铋系光催化剂及其应用[J]. 张霞,樊静. 化学进展. 2016(04)
[8]阿替洛尔在模拟太阳光照射下的光解[J]. 季跃飞,曾超,周磊,杨曦,高士祥. 环境科学学报. 2012(06)
[9]联合滥用消炎止痛药后果不容小觑[J]. 马翠英,马志宏,赵冬梅,许志兰. 中国社区医师(医学专业). 2011(14)
[10]催化湿式氧化处理造纸废水的研究[J]. 刘学文,王勇,葛昌华. 环境科学与技术. 2009(08)
博士论文
[1]基于卤氧化铋光催化剂的设计及其降解环境污染物研究[D]. 狄俊.江苏大学 2018
[2]卤氧化铋吸附/光催化去除水中典型PPCPs的研究[D]. 李建.浙江大学 2017
硕士论文
[1]磁性壳聚糖生物炭复合材料的制备及其吸附/降解甲基橙的研究[D]. 李艳.兰州大学 2018
[2]铋系光催化材料—磁性颗粒复合材料的制备及性能研究[D]. 巫华婷.浙江大学 2018
[3]生物炭基吸附剂与光催化剂对水体中典型抗生素的去除研究[D]. 张涵瑜.兰州大学 2017
[4]基于生物质炭的磁性铋系复合光催化剂的设计及其吸附/降解四环素残留的应用研究[D]. 高乃玲.江苏大学 2017
[5]BiOBr光催化剂的制备及其固定化[D]. 李瑞.太原理工大学 2014
[6]基于硫酸根自由基的高级氧化法深度处理造纸废水的研究[D]. 郭鑫.华南理工大学 2013
本文编号：3426151
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水体中止痛药的来源与迁移途径Fig.1-1Sourcesandmigrationpathwaysofanalgesicsinwater
能带理论，半导体材料的能带结构较特别，区别于绝缘体和金属，具有价电子所占据的能带—价带（VB，ValenceBand）和未被电子占满的能带—导带（CB，ConductionBand）位置，两者之间电子所不能占有的能量状态为禁带（BandGap）[57]。光照下，当光子能量等于或大于半导体禁带宽度时，VB上的电子会被激发并跃迁到CB上，产生光生电子空穴对，CB上的光生电子（e-）具有较强的还原能力，VB上的光生空穴（h+）具有较强的氧化能力，可以迁移至半导体表面的不同位置，产生活性基团如·OH、·O2-等进而降解污染物分子。具体反应过程见图1-2。理想情况下，半导体光催化剂的光生e-和h+可以发挥各自很强的氧化还原能力使得污染物完全降解。然而，实际过程中，大部分光生e-和h+或从半导体内部扩散到表面前就已经发生复合—体相复合，或迁移至表面时进行复合—表面复合，进而使其氧化还原能力大大下降，光催化活性明显降低[58]。因此，为了充分发挥半导体光催化剂独特的自身优势，如何提高其载流子分离，保证更多的光生电子和空穴参与反应体系，是当前光催化技术发展领域的重要研究课题。目前，国内外学者已经成功地在降解有机污染物、还原重金属离子、去除气象污染物、灭菌等领域运用半导体光催化技术，并取得一定研究成果[56,59]，进一步证明了半导体光催化技术在环境保护领域具有广阔的应用前景。图1-2半导体光催化技术反应过程机理Fig.1-2Reactionmechanismofsemiconductorphotocatalytictechanology1.2.2铋系光催化剂简介目前，光催化剂根据关键元素类型主要分为钛系光催化剂、镉系光催化剂、铋系光催化剂和非金属光催化剂等。其中，铋系光催化剂带隙较窄、可被可见光激发、稳定性良好且无毒无害，近年来成为研究热点。
兰州大学硕士学位论文磁性铋系复合光催化剂的制备及其对水体中典型止痛药的降解研究11上，通过这一途径光生电子空穴对可以实现有效分离[110]。Z型结构是光激发下，低还原电位CB上的光生电子与低氧化电位VB上的光生空穴复合，而高还原电位CB上的光生电子和高氧化电位VB上的光生空穴各自发挥强氧化还原性，也实现了光生电荷的有效分离[111]。图1-3常见的半导体异质结构建机理图Fig.1-3Mechanismofcommonheterojunctionsemiconductorconstruction迄今为止，已有一些关于铋系光催化剂与其他半导体构建异质结的研究报道，主要包括铋系光催化剂/磁性材料[112]、铋系光催化剂/铋系光催化剂[113]、铋系光催化剂/钛系光催化剂[114]、铋系光催化剂/镉系光催化剂[115]、铋系光催化剂/类石墨氮化碳[116]等，在消毒杀菌、去除有机污染物及重金属等领域均具有较强的效果。结合本文研究重点，特对铋系光催化剂/磁性材料异质结进行探讨。构建磁性铋系异质结可有效解决铋系光催化剂分离回收难、催化活性低、光生电荷易重新复合等问题。常见的磁性材料有铁氧体（如MnFe2O4、CoFe2O4、ZnFe2O4等）、金属氧化物（如Mn3O4、Co3O4、Fe3O4、γ-Fe2O3等）及纯金属（如Fe0、Co等）。Duangjam等[117]利用水热法合成了新型磁性异质结CoFe2O4/BiVO4，其光催化活性明显高于纯BiVO4，难降解有机污染物亚甲基蓝去除率240min内可达72.47%，这归因于构建的II型异质结有利于光生e-及h+的迁移，降低复合概率。Niu等[118]制备了磁性异质结光催化剂γ-Fe2O3/BiOI，在钨丝灯照射下120min内对染料甲基橙和抗生素磺胺吡啶的去除率分别可达67.6%和64.1%，均高于纯BiOI的去除效率，良好的磁性也有助于材料从水相中分离。Jiang等[119]利用Fe3O4量子点改性BiOCl/BiVO4p-n型异质结，合成的20%F
【参考文献】：
期刊论文
[1]增强可见光催化活性的Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂的制备（英文）[J]. 江天贵,王楷,郭婷,吴晓勇,张高科. Chinese Journal of Catalysis. 2020(01)
[2]香蒲活性炭的制备及对双氯芬酸的吸附研究[J]. 徐爽,林子增,杨海,何秋玫,周瑜. 森林工程. 2019(06)
[3]碳量子点-半导体复合光催化剂研究进展[J]. 张国英,魏雪敏,巴依吉丽,王冰玉. 天津师范大学学报(自然科学版). 2019(04)
[4]花球状BiOBr制备及其在超级电容器中应用[J]. 邓玲娟,杜磊磊,高乐. 化学研究与应用. 2019(05)
[5]光诱导腐殖酸产生自由基对天然水中雌二醇光降解效能的影响[J]. 孙昊婉,张立秋,封莉. 环境工程学报. 2017(11)
[6]铋单质及其复合材料在光催化中的应用[J]. 张小婧,刘旸,张骞,周莹. 化学进展. 2016(10)
[7]碳材料修饰铋系光催化剂及其应用[J]. 张霞,樊静. 化学进展. 2016(04)
[8]阿替洛尔在模拟太阳光照射下的光解[J]. 季跃飞,曾超,周磊,杨曦,高士祥. 环境科学学报. 2012(06)
[9]联合滥用消炎止痛药后果不容小觑[J]. 马翠英,马志宏,赵冬梅,许志兰. 中国社区医师(医学专业). 2011(14)
[10]催化湿式氧化处理造纸废水的研究[J]. 刘学文,王勇,葛昌华. 环境科学与技术. 2009(08)
博士论文
[1]基于卤氧化铋光催化剂的设计及其降解环境污染物研究[D]. 狄俊.江苏大学 2018
[2]卤氧化铋吸附/光催化去除水中典型PPCPs的研究[D]. 李建.浙江大学 2017
硕士论文
[1]磁性壳聚糖生物炭复合材料的制备及其吸附/降解甲基橙的研究[D]. 李艳.兰州大学 2018
[2]铋系光催化材料—磁性颗粒复合材料的制备及性能研究[D]. 巫华婷.浙江大学 2018
[3]生物炭基吸附剂与光催化剂对水体中典型抗生素的去除研究[D]. 张涵瑜.兰州大学 2017
[4]基于生物质炭的磁性铋系复合光催化剂的设计及其吸附/降解四环素残留的应用研究[D]. 高乃玲.江苏大学 2017
[5]BiOBr光催化剂的制备及其固定化[D]. 李瑞.太原理工大学 2014
[6]基于硫酸根自由基的高级氧化法深度处理造纸废水的研究[D]. 郭鑫.华南理工大学 2013
本文编号：3426151
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