新型溴氧化铋复合光催化剂的构建及其降解水中磺胺异恶唑的应用研究

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近些年来,随着科学技术的进步和人们对水环境的日渐关注,除传统污染物外,各种药品和个人护理用品(PPCPs)例如抗生素等新型污染物也逐渐引起人们的关注。抗生素的滥用可能导致抗性基因的产生并对生态系统的稳定产生危害。同其它水污染处理技术相比,光催化技术具有性质稳定,安全环保,便于运输储存,无选择性和降解效率高等优点,其中溴氧化铋基复合光催化剂因其适当的禁带宽度、可被可见光激发、制备工艺简单以及化学稳定性良好等特性,在光催化降解有机污染物等方面成为了研究热点。但目前对于溴氧化铋复合光催化剂降解抗生素的研究仍不够深入,光的吸收利用率低和光生载流子易复合的问题还需要进一步研究。
  本研究对BiOBr半导体进行改性,构建了BiOBr/CeO2复合光催化剂,并在此基础上在催化剂表面负载Ag制备出Ag/BiOBr/CeO2复合光催化剂,进一步提高其光催化效率。通过降解磺胺异恶唑及卡马西平考察复合材料的光催化活性,并通过多种表征手段探究复合材料的理化性质,推测复合光催化剂进行光催化降解的机理,研究其催化性能增强的原因。主要研究内容如下:
  (1)通过高温煅烧法和共沉淀法制备出BiOBr/CeO2复合光催化剂,用于降解磺胺异恶唑。采用XRD、SEM、XPS、FTIR、UV-Vis、BET及EIS对其进行表征。在不同比例BiOBr/CeO2复合材料中CeO2占15%的BiOBr/CeO2的催化剂(BC-15)对于磺胺异恶唑的去除率最高,当投加量为0.5g/L时,180min降解率可达98.1%,其降解速率常数分别为BiOBr和CeO2的3.2倍和29.3倍,证明BiOBr和CeO2的复合有效提高了材料的催化活性。经过循环实验后BC-15仍具有较高光催化活性,表明其具有良好的稳定性和循环利用性。通过自由基捕获实验可知,h+和?O2-为降解体系中起主导作用的两种活性物质,推测复合物的光催化反应机理为BiOBr和CeO2构建了异质结,促进光生载流子的快速转移并减少电子和空穴的复合,从而使复合物的光催化活性得到了明显提高。
  (2)为了进一步提高催化剂对磺胺异恶唑的降解效率,在已构建BiOBr/CeO2异质结的基础上通过光还原沉积法制备出新型Ag/BiOBr/CeO2复合光催化剂,用于降解磺胺异恶唑和卡马西平。催化剂采用XRD、SEM、TEM、HRTEM、XPS、UV-Vis、BET及光电流响应和EIS对其进行表征。降解磺胺异恶唑和卡马西平降解实验显示,Ag含量为10%的Ag/BiOBr/CeO2(ABC-10)为效率最高的复合材料。当投加量为1.0g/L时,ABC-10在20min内可将10mg/L磺胺异恶唑基本完全降解,降解速率分别为BC-15和BiOBr的22.07倍和40.47倍。经过循环实验后ABC-10仍具有较高光催化活性,表明其具有良好的稳定性和可循环利用性。通过自由基捕获实验可知,·O2-为降解体系中起主导作用的活性物质,其次为h+。结合UV-Vis、光电流响应和EIS表征结果可得,Ag/BiOBr/CeO2复合材料光催化效率的提高主要归因于Ag的等离子共振效应,适当的Ag负载能够拓宽光响应,有效提高光生电荷分离效率,从而提高光催化效率。
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