G-C3N4、TiO2-RGO在光催化/臭氧耦合技术中的应用研究

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光催化/臭氧耦合技术能够高效地去除水体中的难降解污染物,无选择性且矿化率高,而高效光催化剂的研制是其应用的关键。由于g-C3N4半导体材料在可见光下有响应、导带位置较高,且易得、水热稳定性好,在光催化领域引起关注,然而,有关g-C3N4在光催化/臭氧耦合体系中的应用研究甚少。同样,TiO2-RGO光催化剂因其量子利用效率高而被广泛应用于光催化中,但它们在光催化/臭氧耦合体系中的研究相对缺乏。因此本文研究了g-C3N4和TiO2-RGO光催化/臭氧耦合氧化降解水中有机污染物的性能。主要工作如下:  首先,通过一步煅烧尿素热解法合成了石墨相氮化碳(g-C3N4)。小角X-射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)、透射电镜(TEM)等对g-C3N4结构和光学性质进行表征,结果表明,制备的g-C3N4具有典型的石墨层状结构和3-s-三嗪结构,同时具有很好的热稳定性和较大的比表面积,在可见光区有响应。在可见光条件下,g-C3N4光催化/臭氧耦合体系降解草酸存在协同作用,分别是O3和g-C3N4/Vis催化降解的4.21和2.72倍,也是O3和g-C3N4/Vis降解效率之和的1.65倍;同样g-C3N4光催化/臭氧耦合体系降解双酚A时也存在协同作用。在模拟太阳光条件下,g-C3N4光催化/臭氧耦合体系降解草酸和双酚A也都存在协同作用。其机理推测是:在光照条件下,g-C3N4表面会产生光生电子和光生空穴,由于g-C3N4导带位置较高,e-易与O3反应,有效阻止了e-和h+的复合,产生更多·OH和h+,提高了污染物降解效率。不同捕获剂对g-C3N4光催化/臭氧耦合体系中的影响数据结果表明,在该体系中降解草酸的活性物质有·OH和h+,且主要以h+为主。  其次,采用液相沉积法研制了TiO2和二氧化钛-还原氧化石墨烯(TiO2-RGO)。XRD、FTIR、TEM、SEM等表征结果表明, TiO2主要以锐钛矿晶型存在,引入氧化石墨烯后,TiO2颗粒均匀地分布在GO薄膜上;UV-Vis DRS光谱和PL光谱表明,相比于TiO2,引入石墨烯后,TiO2-RGO复合物在吸收边带明显发生了红移,TiO2-RGO有更高的光生电子迁移和分离效率;N2吸附-脱附数据表明,TiO2-GO比表面积要高于TiO2。光催化/臭氧降解BPA实验结果显示,引入GO后,可以提高TiO2紫外光催化/臭氧耦合体系对双酚A的矿化率,其机理推测是:氧化石墨烯的加入为TiO2光催化产生的e-提供了转移场所,有利于e--h+的分离,提高了反应效率;TiO2-RGO/UV/O3对双酚A的矿化率(99%)大于TiO2-RGO/UV和O3对双酚A的矿化率之和(92.40%),说明TiO2-RGO紫外光催化和臭氧存在着协同作用,在紫外光条件下,TiO2-GO表面会产生光生电子和光生空穴,引入臭氧后,e-会在TiO2-RGO表面与O3反应,有效阻止了e-和h+的复合,同时提高了臭氧利用率,产生更多·OH和h+,提高了BPA矿化率。
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