钨酸亚铁基纳米复合材料的制备及其声催化去除四环素的研究

作     者：吴学签 

作者单位：辽宁大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐亮

授予年度：2023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）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：FeWO4 BiOBr/FeWO4 CuS/FeWO4 声催化氧化法 TCL 

摘      要：现代生物医学的高速发展导致了环境中产生大量的有机药物废液,由于四环素(TCL)是全球最为广泛生产和使用的药物,并且TCL不易被生物体吸收降解,这就会导致TCL在环境中的不断累积,从而在生物界产生对TCL抗药性和抗药基因,最终使生物体产生畸形、突变、癌变等恶劣影响,因此需要探寻有效去除TCL的方法。基于半导体的声催化降解技术用于去除TCL是一种去除效率高和无二次有毒污染产生的方法,同时,其还具备操作简单、可实用性强等优点。FeWO是一种常见的金属钨酸盐,带隙能在2 e V左右,但较高的电子-空穴对(e-h)的重组率也是FeWO的不足之处,较高的e-h重组率会限制FeWO的催化性能,研究发现通过构建异质结的方式可以使得e-h重组率变低,同时会产生更多活性物质并进一步提高催化剂降解效率,因此本研究将FeWO作为声催化剂,探究其与超声技术联用后的声催化活性,并通过构建异质结的方式进一步提高其声催化活性,研究内容如下:首先,采用水热法制备了FeWO纳米半导体,通过改变反应原料的加入量来调节FeWO的形貌并以此作为基质,通过水热合成法来制备了新型CuS/FeWO声催化剂,用于声催化去除TCL以探索CuS/FeWO的声催化性能。在最佳实验条件下,CuS/FeWO声催化剂与超声技术联用后对TCL的去除率达到99.0%。研究了CuS/FeWO声催化去除TCL的动力学,证明了CuS与FeWO的复合能够极大提升FeWO声催化去除TCL的能力。通过自由基捕获实验确定空穴(h)、超氧阴离子自由基(·O)和羟基自由基(·OH)是导致TCL降解的活性物质,提出了CuS/FeWO的S型异质结机理。最后,CuS/FeWO催化剂的四次重复利用性实验、CuS/FeWO反应前后的XRD和XPS也了证明CuS/FeWO在去除TCL的过程中,能保持较高的声催化活性和良好的稳定性,通过探究HO对反应的影响证明了HO的加入能够极大提升CuS/FeWO去除TCL的效率,通过HPLC-Q-TOF-MS技术提出了CuS/FeWO在去除TCL的过程中的中间产物和降解途径。其次,将所制备的FeWO作为基质,通过水热合成法成功制备了新型BiOBr/FeWO的声催化剂。在声催化技术的作用下,BiOBr/FeWO声催化去除的TCL活性明显高于仅由BiOBr或FeWO声催化的降解活性,质量比例为15%的BiOBr/FeWO复合物具有最好的声催化活性,BiOBr/FeWO对TCL的去除率达到86.5%,研究了BiOBr/FeWO声催化去除TCL的动力学,证明了BiOBr与FeWO的复合能够极大提升FeWO声催化去除TCL的能力。通过自由基捕获实验证明了各种活性自由基(·OH、·O和h)是导致TCL降解的主要活性物质,提出了BiOBr/FeWO的S型异质结机理。最后,根据BiOBr/FeWO催化剂的四次重复利用性实验、ICP检测结果和重复使用的XPS结果,得出了BiOBr/FeWO在去除TCL的过程中,能保持较高的声催化活性和良好的稳定性,通过探究KSO对反应的影响证明了KSO的加入能够极大提升BiOBr/FeWO去除TCL的效率,通过HPLC-Q-TOF-MS技术提出了BiOBr/FeWO在去除TCL的过程中的中间产物和降解途径。以上实验结果表明,通过构建异质结的方式可有效地提升FeWO的声催化性能。期望本文研究结果可为FeWO及其复合物在声催化处理有机污染物废水方面的进一步研究和实际应用提供有用的参考依据。