红磷基光催化体系的构建及协同去除Cr（Ⅵ）和有机污染物的性能研究

发布时间：2020-05-21 18:06

【摘要】：能源和环境是当今世界的两大主题,相关问题已成为影响经济发展和社会进步的主要因素。光催化技术作为一种绿色化工技术,可实现由太阳能到化学能的转换,是解决能源短缺和环境污染等问题的最佳途径之一。长期以来,其重点始终主要围绕:如何增强光催化剂的吸光性,拓展其对太阳光的响应范围;提高光生载流子的分离和传输效率;通过降低表面反应的过电位,增强光催化反应能力。开发合适的光催化剂是解决上述问题的根本。本论文以红磷(red phosphorus,RP)及常见二维光催化材料(MoS_2、GO和TiO_2纳米片)作为主要研究对象,通过对光催化材料进行表、界面调控,探究形貌结构调控对光催化活性及稳定性的影响,并选择具有合适能带结构的半导体材料构建二维异质结,重点考察不同改性手段对RP光吸收、光生载流子分离、传输能力以及表面化学反应等过程的增强机理。最终将光催化剂应用于同时去除多种水体污染物,为光催化技术解决实际环境问题拓展思路。主要研究内容如下:(1)借助物理超声剥离法和化学水热法这两种手段对商用RP进行纳米化,通过对比样品的微观形貌、化学形态、光响应能力和光电性能等表征结果,证实了化学水热法处理后的RP(n-RP)具有纳米级的层状结构,具有较好的光吸收能力,且光生载流子分离、传输效率提高,在可见光催化同时去除Cr(VI)和RhB中表现出较高的活性,光照120 min后二者的去除率分别达到82%和88%,经循环四次后n-RP仍保持良好且稳定的光催化性能。因此,对商用RP进行结构纳米化的改性方法是一种提高光催化活性的有效策略。(2)通过简单的原位水热法制备得到MoS_2/RP二维复合光催化剂,二者通过化学键联(P-S)形成了紧密接触,有利于光生载流子分离和传输。在可见光催化同时去除Cr(VI)和RhB,Cr(VI)和MB以及Cr(VI)和苯酚多种水体污染物中,表现出优异的光催化性能,上述三组水体污染物在可见光照射80 min后的去除率分别能够达到72.7%和97.5%,87.5%和97.9%,99.1%和99.7%,并且具有良好的可重复性。通过XPS表征证实了Cr(VI)在光催化反应中的还原过程,产物以Cr(III)为主。证实了MoS_2/RP二维异质结构建方法及可见光协同去除多种水体污染物的可行性,为光催化去除实际污水提供新思路。(3)采用两步水热法制备得到了低成本、环保、稳定、高性能的RP-MoS_2/rGO纳米复合材料。通过引入MoS_2/rGO混合物作为RP的助催化剂,增加激发电子、空穴数量,提高载流子分离效率,使该三元复合材料在同时去除多种水体污染物(包括Cr(VI)和多种有机污染物)方面表现出优异的光催化性能。特别的是,光催化还原与氧化、光催化与吸附的协同作用对提高光催化活性起到了重要作用。MoS_2和GO的存在对于体系光吸收能力的增强、界面电荷的高效传输、催化剂表面活性位点的增加,以及良好的吸附性和稳定性都有明显的促进作用。RP-MoS_2/rGO三元光催化去除Cr(VI)-有机分子共存体系在实际废水处理中具有广阔的应用前景。(4)选用RP作为磷源,通过水热法制备得到具有复杂表面物种(Ti~(4+),O~(2-),Ti~(3+),氧空位(V_o)和P~(5+))的P掺杂TiO_2纳米片,并首次将其应用于光催化同时去除水体污染物Cr(VI)和RhB。P掺杂过程中引入的缺陷和杂质能级可促进电荷陷阱中心的形成,有利于抑制载流子的复合,从而显著增强光催化活性。此外,P的掺杂过程增强了TiO_2的光吸收性能,并形成了Ti-O-P键,可加速载流子传输至催化剂表面进行反应,从而提升光催化反应效率。相比于TiO_2和RP单体光催化剂,P掺杂TiO_2同时去除Cr(VI)和RhB中表现出更优的光催化活性,且反应稳定性良好。在目前所报道的应用于去除多种水体污染物的相关催化剂中具有一定竞争力,具有良好的应用前景。
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性能对比

导致袁河及仙女湖镉、铊、砷超标，致使附近部分城区停止供水。重金层出不穷，已成为当今社会水环境污染的重要部分。因重金属离子在生集而致病，且致癌性较强，同时还具有生物不可降解性等特点，进入环迁移和形态的转换，并长期存在于环境中。尤其是电镀、冶金、染料等展，导致大量含铬废水的排放，严重威胁人类和自然环境的安全。铬离要以 Cr（Ⅲ）和 Cr（VI）的形式存在，其中，Cr（Ⅲ）的毒性远小于 C性低，具体对比如图 1.1 所示。因此在铬污染的治理中，往往采用还I）转换成 Cr（Ⅲ）来降低毒性，传统的方法有膜分离法、吸附法、离解法、化学沉淀法等[1-5]，但化学法处理效率低且产生二次污染，离子件苛刻，电解法耗能多、成本高，吸附法效率低、寿命短，膜分离法高不利于实际应用，光催化技术处理水中重金属污染成为近年发展起来的、成本低廉且效率较高的废水处理技术。

光催化技术,代表性

第一章绪论问题，，选择一种经济、高效的方式进行处理刻不方法的探索和绿色能源的开发，已经成为可持续境和能源两大难题也应运而生。自 1972 年 Fujish电极上发现水的光电催化分解产生氧气和氧气以来的研究热点。一方面，光催化剂可有效的将低密例如光催化制氢可获得理想的氢源；另一方面，染物可以通过光催化技术将其毒性降低或者分解催化技术具有独特的优势：1. 绿色环保，以太阳，不产生二次污染；2. 应用范围广，可同时用来
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O643.36;O644.1;X703

【参考文献】