同步生长策略构筑Cu-Fe/羧基修饰炭复合材料及其可见光催化性能研究

作     者：吴怡晓 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张燕娟;蒋以元

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）] 081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：Cu-Fe复合材料 生物质炭 同步生长 光催化 盐酸四环素罗丹明B Cr(Ⅵ) 

摘      要：随着工业化进程的不断推进,排放的工业废水引起了严重的环境污染问题,污染源主要包括有机污染物、高毒性Cr(Ⅵ)等,引发诸多危害。光催化降解有机污染物、还原Cr(Ⅵ)被认为是有效的处理方法,开发高效稳定的光催化剂是关键。基于此,本文采用同步生长策略制备高效稳定的可见光响应型Cu-Fe/羧基修饰炭(CDC)复合材料,应用于光催化降解盐酸四环素(TC)以及协同降解罗丹明B(RhB)和还原Cr(Ⅵ),通过系统表征分析研究复合材料的结构性能和光催化活性的关系。主要研究内容和结果如下:(1)采用机械活化(MA)对木薯淀粉、CuCl、FeCl进行预处理,得到前驱体物料,以其为碳源和金属源,柠檬酸三钠为羧基源和碱源,乙二醇为分散剂和还原剂,在水热反应釜中通过同步生长策略制备MA-Cu-Fe/CDC复合材料,并制备MA-Cu-Fe/C(不加柠檬酸三钠)、Cu-Fe/CDC(不进行MA处理)复合材料进行对比研究。前驱体和复合材料的系列表征分析结果表明,MA处理使CuCl和FeCl均匀地嵌入破损淀粉中,与淀粉的-OH形成稳定结构,水热反应中Cu-Fe基组分的生长与淀粉的炭化同步进行,羧基调控其在生物质炭上原位双向生长为枝晶柱状结构,得到Cu-Fe活性组分与羧基修饰炭紧密结合、具有良好界面相容性的MA-Cu-Fe/CDC复合材料。(2)以MA-Cu-Fe/CDC、MA-Cu-Fe/C、Cu-Fe/CDC复合材料为光催化剂,对比研究它们在可见光下对TC的光催化降解性能。MA-Cu-Fe/CDC具有最强的光催化活性,在TC浓度20 mg/L、催化剂投加量0.8 g/L、体系初始pH=5的最佳反应条件下,50 min内TC可被完全降解。MA-Cu-Fe/CDC的优异光催化性能主要是因为MA作用改善了Cu-Fe基组分在生物质炭上的分散性,羧基调控作用使Cu-Fe基组分呈现柱状结构,可以形成多重反射延长光路,提升对可见光的响应能力和利用率,且配体-金属转移性能有效提升电子转移能力。MA-Cu-Fe/CDC具有出色的可见光响应性、适宜的禁带宽度、高的光电活性和光生载流子分离效率。光催化过程中产生的主要活性物种为OH和O,复合材料结构中的高浓度氧空位可作为反应位点和缺陷能级,有效提高催化活性。MA-Cu-Fe/CDC具有良好的结构稳定性,循环使用五次后,TC降解率仍可达98.9%。通过综合分析明确了MA-Cu-Fe/CDC光催化降解TC的反应机理和路径,并对TC降解中间体进行毒性分析。(3)以MA-Cu-Fe/CDC复合材料为光催化剂,研究其光催化降解RhB和还原Cr(Ⅵ)的性能。在催化剂投加量0.8 g/L、体系初始pH=5的最佳反应条件下,在单一或混合体系中光催化反应50 min后,RhB和Cr(Ⅵ)均可被完全去除,而且对RhB/Cr(Ⅵ)混合体系的催化性能优于单一RhB或Cr(Ⅵ)体系,表明MA-Cu-Fe/CDC在混合体系中具有协同催化作用,可以加快去除RhB和Cr(Ⅵ)的反应进程。在混合体系中循环使用五次后,MA-Cu-Fe/CDC对RhB和Cr(Ⅵ)的去除率均没有明显下降,表明该催化剂在混合污染源体系中同样具有优异的循环使用性能。