石墨相氮化碳催化可见光—臭氧耦合矿化水体有机污染物的研究
发布时间：2020-12-31 12:47
半导体光催化技术有望直接利用太阳光与溶解氧生成活性氧物种（ROS）从而净化废水,然而半导体光生电子-空穴易复合、羟基自由基（·OH）产量很低,严重限制了太阳光净水技术的发展。本论文将可见光与低浓度臭氧耦合,并使用石墨相氮化碳（g-C3N4）作催化剂构建g-C3N4催化可见光-臭氧耦合过程,·OH产量和氧化效率远超g-C3N4可见光催化和臭氧氧化过程,可快速彻底矿化水体中绝大多数的有机污染物。主要研究内容及结果如下:（1）将块状g-C3N4用于可见光-臭氧耦合过程,发现g-C3N4能引发可见光与臭氧之间很强的协同氧化效应,耦合过程对草酸的去除速率最高可达到g-C3N4可见光催化与臭氧氧化速率之和的95.8倍,并且在相同光照强度下可见光/臭氧/g-C3N4过程的氧化能力明显强于紫外光/臭氧/g-C3N4过程。由于具有高导带位置和较窄带隙,块状g-C3N4的催化可见光-臭氧耦合活性高于W03、Ti02等本领域经典催化材料。（2）使用非模板法制备纳米多孔g-C3N4,用于研究不同催化氧化过程矿化对羟基苯甲酸。发现耦合过程能快速彻底氧化对羟基苯甲酸,总有机碳去除率比光催化、臭氧氧化总有机碳去除率...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２石翻氮化碳（ｇ－Ｃ３Ｎ４）发展历史??
最终组成一个高度离域的共轭体系。２００８年Ｔｈｏｍａｓ等［２（）］对ｇ－Ｃ３Ｎ４的??化学结构进行了深入研究，认为实验合成的ｇ－Ｃ３Ｎ４可能存在两种化学结构。如??图１．３ａ所示，单个三嚷环通过末端Ｎ原子相连形成一个无限扩展的平面网格结??构，环内Ｃ－Ｎ键长０．１３１５?ｎｍ，?Ｃ－Ｎ－Ｃ键角为１１６．５°，环外的Ｃ－Ｎ键长０．１４４４??ｎｍ，Ｃ—Ｎ－Ｃ键角为１１６．５。。在图１．３ｂ中，以七嗪环（三个三嗪环聚合而成）为??基本重复单元按相同连接方式构筑ｇ－Ｃ３Ｎ４，环内Ｃ一Ｎ键长０．１３１６ｎｍ，Ｃ一Ｎ－Ｃ??键角１１６．６。；环外的（：＿１＾键长０．１４４２腦，（：＾－＜?牵保玻埃?ǎ蓿玻保荨Ｕ饬街纸峁梗崳?中，七嗪环构成的ｇ－Ｃ３Ｎ４聚合度更高，通过密度泛函理论（ＤＦＴ）计算，缩聚??反应中七嗪环构成的ｇ－Ｃ３Ｎ４的结构更稳定，其热力学能比三嗪环构成的ｇ－Ｃ３Ｎ４??低约３０?ｋＪ／ｍ〇ｌ［２２］，因此学术界更倾向于认为七嗪环是构成ｇ－Ｃ３Ｎ４片层结构的基??本单元
Ｓｉ０２、Ａ１２０３等作为模板合成与ｇ－Ｃ３Ｎ４的复合物，再去除相应模板即可得到特定??形貌的ｇ－Ｃ３Ｎ４材料。２００９年Ｗａｎｇ等［２９】用１２?ｎｍ的５丨０２微球做模板成功制备有??序介孔三维ｇ－Ｃ３Ｎ４?（图１．４ａ），其禁带宽度约２．７?ｅＶ，比表面积在６８—３７３?ｍ２／ｇ??范围内可调，光催化产氢活性较块状材料提高一个数量级。后来，他们又利用??Ｓｉ０２微球制备出具有空腔结构的ｇ－Ｃ３Ｎ４纳米中空球（图１．４ｂ），其在４２０?ｎｍ光??束照射下的量子产率达到７．５％［３Ｇ］。２Ｄ六角形ＳＢＡ－１５［３１］和３Ｄ立方形ＫＩＴ－６微??孔Ｓｉ０２［３２］同样被用来合成具有高度有序性的介孔ｇ－Ｃ３Ｎ４。除Ｓｉ０２外，Ｌｉ等［３３］??以阳极Ａ１２０３为模板剂，制备了?ｇ－Ｃ３Ｎ４纳米棒（图１．４ｃ），比表面积及光生电流??值显著提高，光催化产氧速率因此提高一倍。该方法最大缺点在于后续去除硬模??板剂需使用有毒且具有高危险性的ＮＨ４ＨＦ２或ＨＦ清洗，过程繁琐且不具备环保??友好性。??Ｉ?ｆ??图１．４?（ａ）三维有序介孔ｇ－Ｃ３Ｎ４１２９丨、（ｂ）?ｇ－Ｃ＞４纳米中空球｜３°丨及（ｃ）?ｇ－Ｃ３Ｎ４纳米棒１３３丨??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨相氮化碳的化学合成及应用[J]. 张金水,王博,王心晨. 物理化学学报. 2013(09)
[2]Liquid phase heterogeneous photocatalytic ozonation of phenol in liquid-solid fluidized bed:Simplified kinetic modeling[J]. Shuangshi Dong a , Dandan Zhou a , Xiaotao Bi b a College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun, China b Department of Chemical and Biological Engineering, University of British Columbia, Vancouver, Canada V6T 1Z3. Particuology. 2010(01)
[3]催化臭氧化降解水中硝基苯的机制[J]. 赵雷,孙志忠,马军. 哈尔滨工业大学学报. 2009(02)
[4]A novel use of TiO2 fiber for photocatalytic ozonation of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid in aqueous solution[J]. GIRI Rabindra Raj,OZAKI Hiroaki,TAKANAMI Ryohei,TANIGUCHI Shogo. Journal of Environmental Sciences. 2008(09)
[5]天然水镁石及其煅烧产物对臭氧化降解水中苯酚的效果研究[J]. 何坤,董玉明,李真,尹琳,张爱民. 矿物岩石地球化学通报. 2007(02)
[6]催化臭氧化——一种有前景的水处理高级氧化技术[J]. 李来胜,祝万鹏,李中和. 给水排水. 2001(06)
[7]Zn-粘土催化剂对染料废水的O3氧化降解性能的影响[J]. 尹琳. 高校地质学报. 2000(02)
博士论文
[1]石墨相氮化碳的结构调控及增强光催化性能研究[D]. 梁庆华.清华大学 2016
[2]臭氧催化氧化与活性炭联用给水处理工艺特性中试研究[D]. 关春雨.哈尔滨工业大学 2009
[3]石墨结构碳及其载Pt催化剂强化臭氧降解水中草酸的研究[D]. 刘正乾.哈尔滨工业大学 2008
[4]臭氧/多相催化氧化去除水中有机污染物效能与机理[D]. 孙志忠.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：2949626
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２石翻氮化碳（ｇ－Ｃ３Ｎ４）发展历史??
最终组成一个高度离域的共轭体系。２００８年Ｔｈｏｍａｓ等［２（）］对ｇ－Ｃ３Ｎ４的??化学结构进行了深入研究，认为实验合成的ｇ－Ｃ３Ｎ４可能存在两种化学结构。如??图１．３ａ所示，单个三嚷环通过末端Ｎ原子相连形成一个无限扩展的平面网格结??构，环内Ｃ－Ｎ键长０．１３１５?ｎｍ，?Ｃ－Ｎ－Ｃ键角为１１６．５°，环外的Ｃ－Ｎ键长０．１４４４??ｎｍ，Ｃ—Ｎ－Ｃ键角为１１６．５。。在图１．３ｂ中，以七嗪环（三个三嗪环聚合而成）为??基本重复单元按相同连接方式构筑ｇ－Ｃ３Ｎ４，环内Ｃ一Ｎ键长０．１３１６ｎｍ，Ｃ一Ｎ－Ｃ??键角１１６．６。；环外的（：＿１＾键长０．１４４２腦，（：＾－＜?牵保玻埃?ǎ蓿玻保荨Ｕ饬街纸峁梗崳?中，七嗪环构成的ｇ－Ｃ３Ｎ４聚合度更高，通过密度泛函理论（ＤＦＴ）计算，缩聚??反应中七嗪环构成的ｇ－Ｃ３Ｎ４的结构更稳定，其热力学能比三嗪环构成的ｇ－Ｃ３Ｎ４??低约３０?ｋＪ／ｍ〇ｌ［２２］，因此学术界更倾向于认为七嗪环是构成ｇ－Ｃ３Ｎ４片层结构的基??本单元
Ｓｉ０２、Ａ１２０３等作为模板合成与ｇ－Ｃ３Ｎ４的复合物，再去除相应模板即可得到特定??形貌的ｇ－Ｃ３Ｎ４材料。２００９年Ｗａｎｇ等［２９】用１２?ｎｍ的５丨０２微球做模板成功制备有??序介孔三维ｇ－Ｃ３Ｎ４?（图１．４ａ），其禁带宽度约２．７?ｅＶ，比表面积在６８—３７３?ｍ２／ｇ??范围内可调，光催化产氢活性较块状材料提高一个数量级。后来，他们又利用??Ｓｉ０２微球制备出具有空腔结构的ｇ－Ｃ３Ｎ４纳米中空球（图１．４ｂ），其在４２０?ｎｍ光??束照射下的量子产率达到７．５％［３Ｇ］。２Ｄ六角形ＳＢＡ－１５［３１］和３Ｄ立方形ＫＩＴ－６微??孔Ｓｉ０２［３２］同样被用来合成具有高度有序性的介孔ｇ－Ｃ３Ｎ４。除Ｓｉ０２外，Ｌｉ等［３３］??以阳极Ａ１２０３为模板剂，制备了?ｇ－Ｃ３Ｎ４纳米棒（图１．４ｃ），比表面积及光生电流??值显著提高，光催化产氧速率因此提高一倍。该方法最大缺点在于后续去除硬模??板剂需使用有毒且具有高危险性的ＮＨ４ＨＦ２或ＨＦ清洗，过程繁琐且不具备环保??友好性。??Ｉ?ｆ??图１．４?（ａ）三维有序介孔ｇ－Ｃ３Ｎ４１２９丨、（ｂ）?ｇ－Ｃ＞４纳米中空球｜３°丨及（ｃ）?ｇ－Ｃ３Ｎ４纳米棒１３３丨??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨相氮化碳的化学合成及应用[J]. 张金水,王博,王心晨. 物理化学学报. 2013(09)
[2]Liquid phase heterogeneous photocatalytic ozonation of phenol in liquid-solid fluidized bed:Simplified kinetic modeling[J]. Shuangshi Dong a , Dandan Zhou a , Xiaotao Bi b a College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun, China b Department of Chemical and Biological Engineering, University of British Columbia, Vancouver, Canada V6T 1Z3. Particuology. 2010(01)
[3]催化臭氧化降解水中硝基苯的机制[J]. 赵雷,孙志忠,马军. 哈尔滨工业大学学报. 2009(02)
[4]A novel use of TiO2 fiber for photocatalytic ozonation of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid in aqueous solution[J]. GIRI Rabindra Raj,OZAKI Hiroaki,TAKANAMI Ryohei,TANIGUCHI Shogo. Journal of Environmental Sciences. 2008(09)
[5]天然水镁石及其煅烧产物对臭氧化降解水中苯酚的效果研究[J]. 何坤,董玉明,李真,尹琳,张爱民. 矿物岩石地球化学通报. 2007(02)
[6]催化臭氧化——一种有前景的水处理高级氧化技术[J]. 李来胜,祝万鹏,李中和. 给水排水. 2001(06)
[7]Zn-粘土催化剂对染料废水的O3氧化降解性能的影响[J]. 尹琳. 高校地质学报. 2000(02)
博士论文
[1]石墨相氮化碳的结构调控及增强光催化性能研究[D]. 梁庆华.清华大学 2016
[2]臭氧催化氧化与活性炭联用给水处理工艺特性中试研究[D]. 关春雨.哈尔滨工业大学 2009
[3]石墨结构碳及其载Pt催化剂强化臭氧降解水中草酸的研究[D]. 刘正乾.哈尔滨工业大学 2008
[4]臭氧/多相催化氧化去除水中有机污染物效能与机理[D]. 孙志忠.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：2949626
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