新型碳氮材料光催化/过二硫酸盐联用降解磺胺甲基嘧啶

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光催化技术对解决能源短缺和环境污染等全球性问题前景广阔。在光催化中,提高太阳光的利用率是目前研究光催化的一个焦点。选择合适的光吸收剂来增强长波光(1000-2500 nm)的吸收,并利用光热效应有望提高光催化活性和太阳光的利用。碳基材料对太阳光的吸收能力强,是优异的光热材料;石墨相氮化碳(CN)成本低、对可见光响应,是理想的半导体材料。因此,本论文用活性炭(AC)改性氮化碳,制备了光吸收剂/半导体复合光催化剂,研究了复合材料在降解磺胺甲基嘧啶(SMR)中的催化活性和太阳能的利用率,主要研究结果如下:(1)通过调节AC和三聚氰胺的质量比,采用热聚合法制备了不同掺碳量的石墨相氮化碳(xACCN)。XRD、SEM、FT-IR结果表明,复合材料保持了AC的无定型和CN的类石墨烯层状结构。UV-Vis-NIR结果显示,与CN相比,复合材料大幅增强了可见光和近红外光的吸收,太阳光的总利用率为87.7%。XPS、PL结果证明,与AC复合优化了CN的能带结构,促进了界面间电荷转移。(2)模拟太阳光照下,复合材料对SMR的降解性能均优于CN。所有材料在光照不控温时对SMR的降解速率均高于光照恒温在15℃时的速率,体系温度的增量与复合材料中AC的含量正相关,说明AC的光热效应对提高复合材料光降解SMR的效率起重要作用。CN的PL光谱的发射峰在60℃时比15℃时弱,说明光热效应还促进了电荷转移和电子-空穴对的分离。由DFT计算出的电子密度在SMR/CN与SMR/0.2ACCN的分布差异进一步证实AC增强了电荷转移。经四次循环再生,0.2ACCN对SMR的降解性能基本不变,化学稳定性优良。(3)用过二硫酸盐(PDS)与材料光催化联用降解SMR时发现,加入PDS能提高复合前后材料对SMR的降解效率。水中腐殖酸(HA)与阴离子(Cl-、CO32-、SO42-)对降解SMR影响较小。由活性物质捕获实验可知,在光照与光/PDS联用下对SMR降解起主导作用的均为超氧自由基(·O2-)与光生空穴(h+),羟基自由基(·OH)、硫酸根自由基(SO4-·)、非自由基单线态氧(1O2)对降解贡献较小。本研究制备的复合光催化剂大幅提高了太阳光的利用率(>80%),强化了光照以及光/PDS联用下对SMR的降解,实际应用前景广阔。
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