钨酸银/MXenes基复合材料的制备及其光催化降解水体中抗生素的研究

来源 :贵州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:echo_1978
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近年来,由于盐酸四环素(TC)及磺胺二甲基嘧啶(SFE)的分子复杂性和高稳定生物活性,以及不加区别地使用最终释放入水体中,在环境基质中具有显著的持久性而被列为正在引起关注的污染物。基于可持续发展能源——光能作为动力来源的光催化技术对去除这类有机污染物具有比传统工艺更明显的优势。然而,就目前降解此类抗生素中设计的光催化材料存在很多问题,就单一银基材料为例,因稳定性差、易氧化和易聚集,极大的制约了其应用。对此,如何提高光催化反应效率以及揭示有机污染物与材料的去除行为方式仍是目前面临的巨大挑战。鉴于该科学问题,本论文从提高单一银基材料光催化活性角度出发,以MXene为助催化剂构建Ag2WO4/MXene肖特基结用于光催化去除反应,采用TC及SFE为目标降解对象评价了所制备材料的光降解催化性能,并进一步对材料理化性能展开研究,借助光电化学测试手段和液质联用技术(HPLC-MS)对降解反应的机理进行了深入的探讨。具体的研究成果如下:(1)通过半导体的复合,研究Ag2WO4与MXene表界面电荷产生、分离、迁移过程,借助X-射线光电子能谱(XPS)表征手段发现,Ag2WO4纳米颗粒充当电子给予体,Ti3C2载体作为TC和SFE吸附和“电子接收”的场所(肖恩特结形成后Ag2WO4捐赠的电子在Ti3C2表面富集)。一方面,提高了催化降解的反应活性位点,另一方面,抑制光生电子返回光敏材料而保护了Ag2WO4。通过表征单体催化剂与复合催化剂的光电性能分析,并对时间分辨瞬态光致发光光谱(TRPL)数据进行拟合,发现Ag2WO4/Ti3C2复合材料的载流子寿命(34.5μs)是Ag2WO4纳米颗粒(2.12μs)的16倍之多,并且复合材料具有比任何单元体更小载流子传输阻力和更高的光电流特性。以上结果表明,Ti3C2纳米片的引入与Ag2WO4形成的肖特基结,大大提高了材料的光催化活性。(2)构建具有肖恩特结的Ag2WO4/Ti3C2复合催化材料,并进行抗生素催化去除实验。实验结果表明:载体Ti3C2与Ag2WO4质量比为1:20时(记为5%Ag2WO4/Ti3C2)形成的肖恩特结材料具有最佳的TC、SFE去除效率,分别是62.9%、88.6%。此后,通过实验探究光催化反应过程中产生的活性基团,结果发现,光催化活性基团主要由光生空穴(h+)与·O2-组成。最后,为促进了解降解TC和SFE的行为过程,并由构建Ag2WO4/Ti3C2的肖恩特结对TC/SFE溶液进行吸附-降解,通过HPLC-MS手段推测发现,TC在活性物质的攻击下发生醛基、脱氨基及开环和氧化反应。而SFE则进行N-S键裂解、羟基化、苯胺氧化等过程。此后中间产物被进一步矿化氧化为CO2、H2O和其他小分子物质。
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