协同光催化活性与可见光响应：复合材料对活性氧的巩固作用

发布时间：2020-11-17 14:13

　　 如今,盐酸四环素(TC)被认为是一种新出现关注的化合物(CECs)。盐酸四环素(TC)由于其持久性引起了人类和生态的持续关注。近年来,金属-有机框架MOFs具有微孔结构和持有较大的毛孔在环境净化领域具有潜在应用。而碳气凝胶(CA)由于其比表面积大、密度低、热稳定性好、无毒等优点引起了人们的极大兴趣。本论文围绕MOFs和CA材料的合成开展了相关催化剂的合成研究,并进行了光催化降解盐酸四环素的研究。本文在低温下合成了MIL-100(Fe)并分别与Fe_3O_4和CA复合。获得的MIL-100(Fe)、MIL-100(Fe)@Fe_3O_4,MIL-100(Fe)@CA和MIL-100@Fe_3O_4/CA做为光催化剂,用于从水中去除TC。结果表明,MIL-100(Fe)降解TC的活性高达85%,高于MIL-100(Fe)@Fe_3O_4(42%)。活性提高的原因在于其高的比表面积(389 m~2g~(-1)),较小的孔径(2.4纳米),较小的孔体积(0.319 m~3 g~(-1)),电子和孔穴分离效率高和较低带隙(1.76 eV)。CA与MIL-100(Fe)@Fe_3O_4的耦合大大加快了光生电荷载体的传输,并将MIL-100(Fe)@Fe_3O_4的性能提高了1.6倍。此外,由于Fe_3O_4的添加,催化剂的稳定性和可回收性都得到了提高,有利于环境友好型的水净化工艺。当今世界,利用异质结光催化剂进行去污成为一种更有前途的方法。本文在不使用NH_3.H_2O的情况下合成了α-Fe_2O_3,并在不涉及高温焙烧的情况下,获得了复合材料(α-Fe_2O_3@CN)。对复合材料进行XRD、FT-IR、SEM、DRS、XPS和PL了表征,以确定α-Fe_2O_3的带隙、官能团、球面结构、吸收可见光的能力,元素(Fe,O,C,和N)的检测及电荷分离能力。结果表明,α-Fe_2O_3和CN的适当配比增强了带隙,加快了TC的光降解速率。与纯α-Fe_2O_3和CN相比,复合α-Fe_2O_3@CN在可见光谱下表现出更有效的光催化降解TC效率。当α-Fe_2O_3与适当含量的CN,即α-Fe_2O_3@1.5CN得到了去除效率的明显增强,因为α-Fe_2O_3在CN纳米片上的分布更好,因此具有最高的去除率,从而导致ROS(O_2~-and~·OH自由基)物种的产生,降低了电子和空穴复合率展现出潜在的环境应用前景。本文以ZIF-8为前驱体和CN通过简单的热分解策略合成了ZnO@CN纳米复合材料。利用制备的光催化剂对制药行业最常用的环境污染物-抗生素盐酸四环素(TC)进行了光降解研究,并对其形态和理化学参数进行了研究。对样品进行了XRD、FT-IR、SEM、DRS、XPS和PL等表征。不同的分析技术表明样品为窄带隙、六边形纳米螺帽结构、稳定性高、对可见光的吸收能力强及高吸附能力。实验结果表明,ZnO和CN的平衡比在电荷分离中起着至关重要的作用,并提供了可见光照下光催化降解的标准的带隙。与纯ZnO和CN相比,复合材料ZnO@CN-2对TC的降解具有更有效的光催化活性。ZnO@CN-2纳米复合材料中光降解速度分别为CN的2.77倍,ZnO的1.51倍。ZnO@CN-2在可见光照射下对TC氧化的光降解效果较好,得到了比单纯ZnO与CN更好的光降解效果。循环过程研究了材料的稳定性。结果表明,经过五次重复利用后,降解速率无明显变化。此外,CN与ZnO的耦合通过提供活性位点促进了光降解现象,产生了丰富的氧种类,并抑制了电子和空穴的复合,从而在太阳光谱下对TC有更好的降解活性。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X703;O644.1;O643.36
【文章目录】：
摘要
abstract
Chapter 1 Introduction
    1.1 Tetracycline Hydrochloride（TC）
    1.2 Photocatalysis
    1.3 Metal-Organic Framework
        1.3.1 Zeolitic Imidazolate Frameworks
        1.3.2 MIL-100（Fe）
        1.3.3 UiO System MOF
    1.4 Oxide System
        1.4.1 Titanium Dioxide
        1.4.2 Cerium Oxide
        1.4.3 Zinc Oxide
3O₄'>        1.4.4 Fe₃O4

        1.4.5α-Fe₂O₃

    1.5 Novel Metallic Nanoparticles
    1.6 Aerogels
        1.6.1 Carbon Aerogel
    1.7 Graphene Oxide
    1.8 Graphitic Carbon Nitride
    1.9 MOF based composites
3O₄/CA Magnetic Nanophotocatalysts（MNPCs）:magnetically separable and Fenton-like degradation of tetracycline hydrochloride'>Chapter 2 Ternary MIL-100（Fe）@Fe₃O₄/CA Magnetic Nanophotocatalysts（MNPCs）:magnetically separable and Fenton-like degradation of tetracycline hydrochloride
    2.1 Materials
    2.2 Characterization
    2.3 Synthesis Procedure
        2.3.1 Synthesis of CA
        2.3.2 Synthesis of MIL-100（Fe）
3O'>        2.3.3 Synthesis of Fe₃O
3O₄/CA'>        2.3.4 Synthesis of MIL-100（Fe）@Fe₃O₄/CA
    2.4 Results& Discussion
        2.4.1 X-ray powder diffraction（XRD）
        2.4.2 Fourier-transform infrared spectroscopy（FTIR）
        2.4.3 Scanning electron microscopy（SEM）and EDS
        2.4.4 BET Surface Area
        2.4.5 Thermogravimetric Analysis（TGA）
        2.4.6 Ultraviolet-Visible Spectroscopy Diffuse Reflection Spectra（UV-vis DRS）
        2.4.7 Effect of pH
        2.4.8 Photocatalytic Activity
        2.4.9 Scavenger Study
        2.4.10 Mechanism
        2.4.11 Stability and Recyclability
    2.5 Conclusion
2O₃@CN under the Visible Light'>Chapter 3 Highly Efficient Photocatalytic Degradation of the Tetracycline Hydrochloride on theα-Fe₂O₃@CN under the Visible Light
    3.1 Materials
    3.2 Characterization
    3.3 Synthesis Procedure
3N₄（CN）'>        3.3.1 Preparation of g-C₃N₄（CN）
2O'>        3.3.2 Synthesis ofα-Fe₂O
2O₃/CN hybrid'>        3.3.3 Preparation ofα-Fe₂O₃/CN hybrid
    3.4 Results& Discussion
        3.4.1 X-ray powder diffraction（XRD）
        3.4.2 Fourier-transform infrared spectroscopy（FTIR）
        3.4.3 Ultra Violet-Visible Spectroscopy Diffuse Reflection Spectra（UV-vis DRS）
        3.4.4 Scanning Electron Microscopy（SEM）
        3.4.5 X-Ray Photoelectron Spectroscopy（XPS）
        3.4.6 Thermogravimetric Analysis（TGA）
        3.4.7 Photocatalytic Activity
        3.4.8 Active Species Trapping
    3.5 Stability and Recyclability
        3.5.1 Photoluminescence（PL）
        3.5.2 Photo-induced charge separation mechanism
    3.6 Conclusion
3N₄ nanocomposite for the degradation of Tetracycline hydrochloride under the visible light irradiation'>Chapter 4 Synthesis and degradation studies of ZnO doped with g-C₃N₄ nanocomposite for the degradation of Tetracycline hydrochloride under the visible light irradiation
    4.1 Materials
    4.2 Characterization
    4.3 Synthesis Procedure
        4.3.1 Synthesis of ZIF-8
        4.3.2 Synthesis of ZnO@CN
    4.4 Results
        4.4.1 X-ray powder diffraction（XRD）
        4.4.2 Fourier-transform infrared spectroscopy（FTIR）
        4.4.3 Ultra Violet-Visible Spectroscopy Diffuse Reflection Spectra（UV-vis DRS）
        4.4.4 Scanning Electron Microscopy（SEM）
        4.4.5 X-Ray Photoelectron Spectroscopy（XPS）
        4.4.6 Photoluminescence（PL）
        4.4.7 Photocatalytic Activity
        4.4.8 ROS Scavenger Study
        4.4.9 Stability and recyclability
        4.4.10 Mechanism
    4.5 Conclusion
Chapter 5 Conclusion
References
Acknowledgements
Published Work

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本文编号：2887600

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