NH2-MIL-88B(Fe)/CDs光催化材料的制备及其GO复合膜的性能研究

作     者：邵良燕 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余宗学

授予年度：2020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] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0702[理学-物理学] 

主      题：NH2-MIL-88B(Fe) CDs 氧化石墨烯 光催化 膜分离 

摘      要：水资源是地球上所有生命体不可或缺的重要物质资源。但随着经济的快速发展与工业化程度的不断加深,水资源分布不均衡及污染等问题愈发严重。污水中的有机染料、无机重金属离子及油脂等对生态环境与人体健康造成了巨大的威胁。一些研究表明,某些金属有机骨架材料(MOFs)在暴露于光照时会表现为半导体,这意味着它们可能作为非常有效的光催化剂。与传统的光催化剂相比,MOFs的优势在于其多孔结构和高比表面积可促进底物和产物通过开放通道快速扩散,有助于反应速率的提高。然而,大多数MOFs光催化剂还存在可见光捕获差和光生载流子快速电荷重组的缺点,因此有必要探索新的方法来改善这些问题。本论文以NH2-MIL-88B(Fe)为基础,使用无水葡萄糖在其表面原位生成碳纳米点(CDs),成功制备了一系列NH2-MIL-88B(Fe)/CDs复合光催化剂,将其应用于光催化降解亚甲基蓝(MB)及光催化还原Cr(Ⅵ)并讨论其光催化机理。此外,还利用NH2-MIL-88B(Fe)/CDs复合光催化剂改性氧化石墨烯(GO)膜成功制备出具有光催化性能的Fe-MOF/CDs@GO膜,并探讨其对MB与水包油乳液的处理性能。首先,使用无水葡萄糖作为前驱体改性NH2-MIL-88B(Fe)制备出了一系列NH2-MIL-88B(Fe)/CDs复合光催化材料。通过XRD、FTIR、SEM、TEM、XPS和BET表征复合材料的晶体结构、表面化学性质、微观形貌和孔结构。通过UV-vis DRS和PL探究了NH2-MIL-88B(Fe)/CDs光催化剂的光学性能及带隙结构,结果表明CDs的生成基本不会改变材料的带隙结构,但是能有效地增加电子的传输途径,从而有利于减少光生e--h+对的重组。还通过瞬时光电流、莫特肖特基曲线以及EIS测试研究了复合材料的电化学性能。这些结果均表明CDs产生后光诱导产生载流子的寿命和分离效率均能有效地增加,在理论上有利于光催化反应的发生。其次,将制备的NH2-MIL-88B(Fe)/CDs复合材料应用于可见光下降解MB和还原Cr(Ⅵ)。其中,NH2-MIL-88B(Fe)/CD-50 暴露于光下 45 min 可还原 95%的 Cr(Ⅵ),相应的反应速率常数比纯MOF大近3.3倍。NH2-MIL-88B(Fe)/CD-50降解MB的反应速率常数几乎是纯MOF的2.6倍。此外,还探究了 pH值对光还原Cr(Ⅵ)溶液的影响,结果表明酸性越强光催化效率越高。还探究了各种活性物质在光催化反应过程中所起的作用并提出了光催化反应机理。此外,评估了复合材料的可重复使用性能,结果表明复合材料在四个循环后光降解MB和光还原Cr(Ⅵ)的效率还能分别保持在约87%和77%。最后,为了解决光催化剂回收难、回收成本高等问题,将光催化技术与膜分离技术结合起来制备具有光催化性能的膜材料。这种膜材料除了能够通过光催化作用降解膜中的污染物,还能提高膜的亲水性能,从而增强膜的抗污性能。具体地,以聚偏二氟乙烯(PVDF)膜为支撑膜,并利用减压真空抽滤将光催化剂NH2-MIL-88B(Fe)与NH2-MIL-88B(Fe)/CD-50插入 GO膜的层间及表面分别制备了 Fe-MOF@GO膜与Fe-MOF/CDs@GO膜,还研究膜对MB及水包油乳液的分离效果、膜的抗污性能及循环性能等。Fe-MOF/CDs@GO膜处理MB时,在保持截留率为99.8%的情况下通量还能维持在1422.7L m-2h-1bar-1;类似地,Fe-MOF/CDs@GO膜对水包油乳液的截留率为92.3%时通量为365.0 L m-2h-1bar-1。此外,在有光照及H2O2存在的条件下,还发现Fe-MOF/CDs@GO膜的通量及截留率衰减变慢,这有助于延长膜材料的使用寿命并减小维护成本。