平面异质结光催化剂的制备及其去除水中抗生素及染料的研究

作     者：穆可磊 

作者单位：南开大学 

学位级别：硕士

导师姓名：展思辉

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：光催化 平面异质结 无定形碳/石墨氮化碳 铜/氧化亚铜 

摘      要：有机污染物中的染料、抗生素等作为新型污染物在水生态环境中已被广泛发现,严重威胁着人类健康。传统的水污染处理技术对其处理效率较低且容易产生有毒有害副产物。作为一种绿色高级氧化技术,光催化反应可以将废水中的染料和抗生素分解为小分子物质,甚至分解为水和二氧化碳。但光生电子与空穴的快速复合致使其光催化活性降低。构建异质结是提升其电子-空穴分离的有效方式,但是传统的异质结在空间上以垂直堆叠形式存在,并且以较弱的范德华力作为异质结界面处的电子驱动力。本文主要通过构建以强化学键力作为界面处的电子驱动力的平面异质结构,来提升光催化剂的光生载流子的分离和转移,继而增强其光催化去除污染物的活性。1.通过自转化过程成功地将无定形碳(AC)引入g-C3N4纳米片中,形成AC/g-C3N4的平面异质结催化剂。开尔文探针原子力显微镜和密度泛函理论计算证实了 g-C3N4与AC在空间上处在同一平面上,且二者以化学键相连。由于g-C3N4与AC的电势不同,因此在二者之间形成表面电场,驱动g-C3N4的光生电子向AC定向转移,且光生空穴仍保留在g-C3N4,延长了载流子的复合距离。同时,AC的sp2杂化π共轭键可以快速捕获和存储由g-C3N4迁移过来的电子,抑制载流子重组,从而聚集更多的电子,促进羟基自由基(·OH)的生成。AC/g-C3N4平面异质结光催化降解四环素和罗丹明B的活性分别是g-C3N4纳米片的2.7倍和4.8倍,这主要归因于其界面电荷的高效分离。2.采用溶剂热反应成功制得了 Cu/Cu2O平面异质结催化剂。通过XRD、TEM、XPS等表征测试证明了 Cu纳米片与Cu2O纳米片在空间上是以平面异质结的方式共存。通过UV-Vis DRS、PL、光电化学等测试手段阐明了 Cu/Cu2O平面异质结光催化活化H2O2降解环丙沙星性能提升的机理:Cu2O被可见光激发后产生的电子通过Cu与Cu2O之间的化学键直接转移到Cu纳米片上,提升了光生电子-空穴的分离效率。聚集在Cu纳米片上的电子与反应体系中的H2O2反应生成强氧化性的·OH,然后降解环丙沙星。Cu/Cu2O在60min内对环丙沙星的去除率达到了 95.4%,分别是Cu、Cu2O的1.4倍和2.6倍。