碳化钛量子点增强氧化铋光催化降解四环素的能力与机理研究

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目前,溶于水体中的有机污染物如抗生素成为水污染处理的难点。光催化技术利用太阳能,具有可持续,高效以及绿色等优点,成为处理抗生素污染的理想方法。已经发现,Bi2O3半导体具有合适的带隙,物理化学稳定性,对可见光响应等特点,是应用于光催化技术的理想半导体。但是,较弱的可见光吸收以及快速的光生载流子复合,削弱了其光催化活性。通过负载助催化剂,促进光生载流子的分离和转移,增强比表面积和活性位点数量是十分有效的策略。本文制得了Ti3C2量子点,并用于增强Bi2O3半导体对水体中四环素的高效降解与相关机理的研究。MXene(二维过渡金属碳化物)是一种新型的类石墨烯二维材料,具有独特的结构、电子性质、丰富的表面化学终端、好的结构稳定性,和优异的光吸收能力,从而受到广泛研究。得益于这些特性,MXene作为助催化剂显示出巨大的潜力,可以与半导体光催化剂形成良好的协同催化作用。与二维MXene纳米片相比,采用MXene量子点构建复合光催化剂可以更好地发挥MXene特性。Ti3C2(MXene)量子点(Ti3C2 QDs)是由二维单层Ti3C2衍生而来,继承了优异的导电性和光吸附能力。而Ti3C2 QDs比Ti3C2纳米片具有更高的比表面积和更大的孔径,此外由于尺寸效应,暴露出更多的表面Ti原子,更适合于光催化降解污染物。本文从Ti3C2(MXene)出发,制得Ti3C2 QDs,并采用水热法制得不同比例的Ti3C2 QDs/Bi2O3复合材料,用于光催化四环素(TC)的去除研究。探究Ti3C2QDs作为助催化剂,对主体Bi2O3半导体性能的提升效果与机理。透射电镜(TEM),Zeta粒度分析和光致激发光谱(PL)表明Ti3C2 QDs成功制备,其平均尺寸半径为3.96 nm。通过一系列表征,表明Ti3C2 QDs/Bi2O3复合材料制备成功,最佳配比的复合材料在可见光照射下,1.5小时对TC的去除率达到82%,是Bi2O3单体的5.85倍。此外,研究了复合材料光催化性能提升的内在原因。通过Ti3C2 QDs的引入,增加了复合光催化体系对可见光的吸收能力。同时,Ti3C2 QDs与Bi2O3半导体之间形成紧密的接触,加速光生载流子分离,有效地抑制了光生电子-空穴对的复合。此外,通过氮气吸附-解析(BET)表征计算,复合材料的平均孔径和比表面积得到巨大提升,增加了材料与反应物的接触面积,并能提供更多的活性位点数量。本文研究证明了Ti3C2 QDs作为助催化剂提升半导体光催化性能的巨大潜力,为制备MXene量子点并用于光催化领域提供参考意义。
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