Gd掺杂BiVO4高效制备及光催化去除有机物性能研究
作者单位：哈尔滨工业大学
学位级别：硕士
导师姓名：丁晶
授予年度：2022年
学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学]
主 题：Gd-BiVO4 太阳光 OFL 降解机理 高效制备
摘 要：药品和个人护理产品(PPCPs)是一类新兴的有机污染物(EOC),包含各类抗生素、激素和人工合成麝香等。近些年,PPCPs在生活污水和工业废水中被广泛检出,如果不经过处理,将通过江河湖泊,在食物链中层层富集,最终影响人类健康。大多数PPCPs结构稳定,自然条件下难以降解,常规水处理技术难以将其有效去除。光催化技术是一种将太阳能转化为化学能的工艺,具有环保、可持续和低成本的优点,因此被广泛应用于PPCPs类污染物的降解。铋基光催化剂(BiVO)具有窄带隙、n型结构、可见光响应、无毒、成本低、稳定性好等优点,可作为光催化剂降解PPCPs。为提高BiVO电子空穴的分离效率,本研究采用金属和非金属掺杂。此外,为了节省制备过程中的功耗,使用快速合成方法在低于100℃条件下制备不同的光催化剂,以降解各种PPCPs。与水热合成法(HSM)和微波水热合成法(MHSM)相比,快速合成方法在低于100℃(STSM)对氧氟沙星(OFL)的降解表现出优越性,STSM、HSM和MHSM制备的BiVO对OFL的去除率分别为0.02855、0.02151和0.01422 min。研究还表明,制备条件的p H值为7时,Gd掺杂比其他金属掺杂更有优势,Br掺杂相对于S掺杂更有优势。利用紫外-可见漫反射光谱(DRS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、光致发光光谱(PL)和比表面积分析(BET)对光催化剂进行表征,分析改性前后光催化剂的特性。Gd掺杂使BiVO具有四方相结构,而Br的掺杂对BiVO的单斜相结构没有影响。采用快速合成方法在低于100℃条件下合成原始和改性BiVO光催化剂,结果表明,快速合成的材料在Gd掺杂后显著增加了原始BiVO光催化剂材料的比表面积。同时,Br的掺杂对BiVO的吸收边和禁带宽度影响较小,而Gd的掺杂对吸收边和禁带宽度有较大影响。此外,Gd掺杂影响了BiVO的粒径,使其粒径变小,有助于提高其吸附和光催化活性,而Br对原始BiVO的粒径几乎没有影响。在太阳光条件下,5%、7%和10%的Gd掺杂BiVO对OFL的去除速率常数分别是未改性BiVO的1.53、1.61和1.83倍。暗反应40 min,光照1 h后,5%Gd-BiVO对双氯芬酸、盐酸四环素、氧氟沙星、罗丹明B和磺胺嘧啶(10 mg/L)的降解率分别达到98.63±0.08%、98.07±0.49%、97.98±2.02%、92.09±0.36%和78.56±0.38%。在酸性条件下,Gd掺杂的光催化剂具有较好的光催化性能,SO和HPO显著抑制了OFL的降解,这是由于SO和HPO离子对h和OH的捕获。5%Gd-BiVO在循环使用5次后也表现出较好的降解性能,具有良好的可重复利用性。研究发现,在BiVO、Br-BiVO和Gd-BiVO体系中,光生空穴h和O是主要的活性物种,而OH在整个体系中的作用较小。根据淬灭实验和ESR实验结果,提出了BiVO和Gd-BiVO体系的降解机制。本研究通过较简单方法制备的Gd掺杂BiVO光催化剂,提升了光生电子空穴的分离效率,在模拟太阳光照射下,实现了高效降解PPCPs和染料类污染物。
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