溶剂热改性g-C3N4的制备及其光催化降解水中双酚A的研究

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双酚A(Bisphenol A,BPA)是一种重要的化工原料,因其广泛生产、使用以及其残留物未能完全处理,致使BPA进入环境中。作为典型的内分泌干扰物,低浓度的BPA就能对人体产生致癌、致畸变等危害作用,因此开发高效处理BPA的技术刻不容缓。光催化技术作为一种能够利用太阳光能的低能耗高级氧化工艺,能有效地去除环境中的污染物。近年来,非金属光催化剂石墨相氮化碳(g-C3N4)因其具有一定的可见光响应、结构简单、成本低廉等特点,受到了研究者们的广泛关注,被认为是最有前景的可见光催化剂之一。但由于其光谱响应范围较窄、光生电子-空穴对复合率较高,限制了其在光催化领域的使用。本论文基于g-C3N4光催化剂,采用本征/非本征改性方法,制备出新型的氮化碳同质结以及Bi/Bi2O3纳米颗粒修饰g-C3N4两类光催化剂。将所得催化剂应用于光催化氧化水环境中的BPA,结果表明上述光催化剂对BPA的降解效果较好。本论文获得的主要研究结果如下:(1)利用简便的有机溶剂(甲醇)辅助热处理方法获得了氮化碳同质结光催化剂(x%Me CN-CN)。通过一系列表征分析,结果表明:甲醇溶剂热过程中尿素边缘的丰富孤对电子与甲醇的丰富羟基之间以氢键的方式相互连接,氮化碳同质结间耦合结构能够拓宽材料的光吸收范围,促进光生电子-空穴对的有效分离,有助于光催化活性的增强。将x%Me CN-CN用于光催化处理水中BPA,与g-C3N4相比,30%Me CN-CN同质结表现出显著提升的光催化性能,4 h内对BPA光催化降解率达98.9%,降解速率达到g-C3N4的8.22倍。活性物种捕获实验表明,h+和·O2-是该光催化体系的主要活性物种,h+发挥主导作用。循环稳定性实验表明30%Me CN-CN同质结具有良好的稳定性,应用前景良好。(2)进一步利用乙醇辅助溶剂热预处理前驱体,设计和制备了铋修饰的Bi/Bi2O3/g-C3N4光催化剂(x Bi-Et CN)。在乙醇溶剂热过程中,尿素与乙醇的羟基之间以氢键的方式相互连接,乙醇溶剂热预处理前驱体过程与Bi元素的引入能够对催化剂能带进行调控,缩小催化剂的禁带宽度。Bi元素以Bi/Bi2O3纳米颗粒的形式分散负载在层状g-C3N4的表面并形成复合催化剂,异质结的构建与金属Bi的SPR效应能够拓宽催化剂的光吸收范围,促进电子-空穴对的有效分离,显著增强光催化活性。将x Bi-Et CN用于可见光催化处理水中BPA时,0.03Bi-Et CN的可见光催化性能远优于g-C3N4,4 h内对BPA的可见光催化降解率达70.1%,降解速率更是达到g-C3N4的15.67倍。共存离子和有机物干扰实验表明,在水中常见共存阴离子和大分子腐殖酸存在的条件下,催化剂依旧保持较高的可见光催化活性。对反应过程中的活性物种进行捕获,结果表明·O2-和h+是该光催化体系的主要活性物种,·O2-发挥主导作用。循环稳定性实验表明0.03Bi-Et CN具有良好的稳定性和回收利用能力。
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