富勒烯/阴离子粘土复合材料的构建及其催化降解双酚A的反应机理研究

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双酚A(Bisphenol A、缩写为BPA),是一种化工原料,广泛应用于塑料产品中;同时,它也是一种内分泌干扰素,过多摄入会导致人体和动物内分泌失调,威胁胎儿和儿童的健康。由于近几十年塑料制品的广泛使用,大量BPA被释放到水环境中。去除水中BPA的方法有物理吸附、生物降解和光催化降解等,其中光催化是一种环保、节能、无污染的降解方式。层状双金属氢氧化物(layered double hydroxide、LDH),即阴离子粘土,由于其具有较高的比较面积、理想的阴离子交换能力、成本低和环境友好等优点,被广泛应用于各种光催化降解研究。但是,LDH主要利用紫外光实现催化降解,而对可见光利用率相对较低。因此,对LDH进行改性,使其更好地利用可见光实现有机污染物降解是本文研究的重点。本文对LDH进行两方面改性:一是将C60作为LDH的修饰材料,从而利用其独特的电化学性质和高电子亲和能,提高材料的光催化性能。二是贵金属掺杂,从而提高材料的催化效果,并利用富勒烯提高材料的稳定性。运用现代谱学等手段分析材料的结构、组成和催化性能,并通过催化降解BPA研究反应机理。主要研究内容如下:(1)通过动态尿素法制备的富勒烯/阴离子粘土的复合材料(LDH/C60),并将其在500℃下煅烧后制备成具有光催化活性的材料(LDO/C60)。对所制备的材料进行SEM、TEM、XRD、FTIR和N2吸附脱附等手段表征所制备材料的形貌、组成和结构。C60的加入增强了材料在可见光区域的能量吸收,提高了材料对可见光的利用率。在本实验条件下,纳米材料LDO/C60-5%光催化降解BPA去除率达到85%,且易被分离回收循环利用。材料LDO/C60-5%利用可见光催化降解有机污染物,反应过程经济、环保、节能,在大规模环境治理中具有潜在优势。(2)通过共沉淀-光诱导法制备C60@AgCl-LDO复合材料及其衍生材料。通过SEM、TEM、XRD、FTIR和N2吸附脱附等手段表征材料的形貌、组成和结构变化。Ag和C60的加入增强材料C60@AgCl-LDO在可见光区域的吸收度,Ag的加入使得材料在近紫外区的可将光范围内有一个突起的强烈吸收峰出现,且富勒烯可以提高材料中银的稳定性。C60@AgCl和ZnAlTi-LDO间耦合促进电子转移可以明显抑制光生电子和电子空穴复合。C60@AgCl-LDO对BPA的光催化降解效果最好,5小时后它对BPA的去除率达到90%。光生电子空穴、超氧自由基、·OHbulk、·OHads和单性氧在材料C60@AgCl-LDO光催化降解BPA中都起到一定的作用,其中超氧自由基起到主要作用。(3)取纳米材料C60@AgCl-LDO和铂片电极制备为工作电极,以铂网电极为对电极,甘汞电极为参比进行三项电极光电催化实验。C60@AgCl-LDO光电催化降解BPA在经过3次循环后对BPA的去除率仍达99%左右。材料C60@AgCl-LDO为光阳极时,产生的电子可以通过材料中的半导体材料进行分离使得光生电子同电子空穴分离,且材料半导体价带上的电子在光照下被激发跃迁可产生电子空穴,使得水中的羟基自由活性更强,光电催化性能提高。所以,材料C60@AgCl-LDO光电催化降解有机污染物可以应用于水环境修复治理中。以上研究为利用富勒烯/阴离子粘土复合材料在可见光下催化降解水中有机污染物BPA提供实验基础和理论依据。
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