Ag增強TiO2和g-C3N4復(fù)合材料光催化轉(zhuǎn)化含氮和苯酚污染物的研究.pdf

1、水環(huán)境中含氮和酚類污染物對動植物生存和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。光催化技術(shù)可利用太陽能礦化環(huán)境中的有機(jī)和無機(jī)污染物。然而，以二氧化鈦(TiO2)為代表的半導(dǎo)體光催化劑存在光響應(yīng)范圍窄、量子效率低和光生電子-空穴對易復(fù)合等問題，急需開發(fā)新型高效光催化材料。近年來，制備基于TiO2和石墨相氮化碳(g-C3N4)的復(fù)合光催化劑，以及暴露高活性面TiO2的研究和應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。
　　本文首先綜述了含氮和苯酚污染物的傳統(tǒng)去除方法，隨后指出了

2、 TiO2和g-C3N4材料的研究進(jìn)展以及它們在廢水處理中存在的問題。在此基礎(chǔ)之上，本文提出了一種新的構(gòu)建Ag增強復(fù)合光催化材料的思路，并對所得光催化劑轉(zhuǎn)化含氮和苯酚污染物的性能和機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　以商業(yè) P25為載體，本文首次采用了簡易方便的pH調(diào)節(jié)沉淀法制備不同Ag2O負(fù)載量的Ag2O/P25復(fù)合光催化劑，并將其應(yīng)用于氧化氨氮和亞硝氮的反應(yīng)中，對催化劑結(jié)構(gòu)、催化活性以及光催化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。對于氨氮氧化反應(yīng)，1％

3、Ag2O/P25催化劑在pH為12.0時顯示出最優(yōu)反應(yīng)活性。本文發(fā)現(xiàn)氨氮氧化包括平行反應(yīng)和連串反應(yīng)兩種路徑。羥基自由基作為活性物質(zhì)將氨氮氧化為亞硝氮，并進(jìn)一步將部分新形成的亞硝氮氧化為硝氮。對于亞硝氮氧化反應(yīng)，1%Ag2O/P25體系在pH為9.0和10.0時，紫外光照射8 h后轉(zhuǎn)化率均能達(dá)到100%。此外，本文還考察了亞硝氮對氨氮氧化以及氨氮對亞硝氮氧化的影響。
　　為了拓寬 Ag2O/P25的應(yīng)用范圍，以甲酸為空穴清除劑，探究

4、不同負(fù)載量(1%~20%)Ag2O/P25光催化劑選擇性還原硝氮的性能。在紫外光照射下，5%Ag2O/P25表現(xiàn)出高轉(zhuǎn)化率及氮氣選擇性。光致發(fā)光(PL)光譜分析表明5%Ag2O/P25體系具有較高的電子-空穴對分離效率，從而顯示出較高的反應(yīng)活性。本文對Ag2O/P25選擇性還原硝氮的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)探討，提出兩種反應(yīng)機(jī)制：i)通過光生空穴和甲酸相互作用所形成的二氧化碳陰離子自由基進(jìn)行還原；ii)直接通過 Ag2O/P25表面的光生電子和硝

5、氮進(jìn)行反應(yīng)。此外，對 Ag/P25以及Ag2O/P25光催化還原硝氮的活性和穩(wěn)定性進(jìn)行了對比研究，差異歸因于P25表面 Ag2O–Ag和Ag–Ag2O兩種不同的結(jié)構(gòu)。由于具有出色的重復(fù)使用性能， Ag2O/P25在硝氮污染物還原方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　以環(huán)境友好型生物小分子抗壞血酸為形貌調(diào)控劑，通過一步水熱法制備出可控相組成和暴露高能{001}晶面的TiO2晶體材料。通過X射線衍射(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)對所得樣

6、品的相組成以及暴露{001}晶面的比例進(jìn)行分析，并闡述了抗壞血酸作為調(diào)控劑的作用機(jī)理。選取具有混相(銳鈦礦和金紅石)和暴露{001}晶面最多(18.4%)的光催化劑為代表，對氧化氨氮、亞硝氮以及還原硝氮的性能進(jìn)行了考察。本文為制備暴露高能晶面的TiO2半導(dǎo)體材料提供了新思路。
　　以雙氰胺(C2H4N4)為前驅(qū)物，通過熱聚合法制備出不含金屬的g-C3N4，再采用pH調(diào)節(jié)的沉淀法構(gòu)建Ag2O/g-C3N4復(fù)合光催化劑，并對其結(jié)構(gòu)和組

7、成進(jìn)行了表征。在紫外光和可見光照射下，考察了Ag2O/g-C3N4光催化降解苯酚的性能。Ag2O增強g-C3N4活性歸于以下三個方面：i)Ag2O在g-C3N4表面的高分散性；ii)Ag2O和g-C3N4形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良光學(xué)吸收特性；iii)內(nèi)電場和匹配的能帶結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用提高了光生電子和空穴的分離效率。采用自由基清除實驗對光降解過程中的活性物質(zhì)進(jìn)行了分析。通過XRD表征檢測反應(yīng)前后催化劑的結(jié)構(gòu)變化，并提出了光降解機(jī)理。光生空穴、

8、超氧自由基和羥基自由基將苯酚降解為中間產(chǎn)物，最終轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水。本文所制備的Ag2O/g-C3N4復(fù)合材料為在可見光下去除水體中酚類污染物提供了新方法，可作為環(huán)境領(lǐng)域修復(fù)有機(jī)污染物的新型光催化劑。
　　最后，本文在合成出Ag2CO3/g-C3N4的基礎(chǔ)上，通過相轉(zhuǎn)移方法成功制備出Ag2O/Ag2CO3/g-C3N4三元復(fù)合光催化劑，并對其微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。在紫外光和可見光照射下，通過降解苯酚來評價Ag2O/Ag2CO3/g-C