磁性铋系复合材料的制备及其对有机污染物的可见光催化降解性能研究

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光催化降解是处理含结构复杂、难降解、毒性高的抗生素和染料等有机废水最有效和最有应用前景的方法之一。构建催化降解性能优异且价廉的光催化材料是获得良好催化降解效果并使其具有推广应用价值的关键。本研究设计合成了几种新型磁性铋系复合可见光催化材料,系统研究了其对抗生素和有机染料的可见光催化降解性能,并初步探讨了光催化降解机理。采用简易的水热法成功制备了均匀核壳结构Fe3O4@SiO2@Bi2O2CO3微球负载在还原氧化石墨烯(rGO)片上的Fe3O4@SiO2@Bi2O2CO3/rGO和花瓣状核壳结构Fe3O4@SiO2@BiFeO3微球负载在rGO片上的Fe3O4@SiO2@BiFeO3/rGO两种新型磁性复合光催化材料,考察了所制备的光催化材料在可见光下对环丙沙星(CIP)、盐酸四环素(TC–H)、甲基橙(MO)、罗丹明B(RhB)、亚甲基蓝(MB)及MO、RhB和MB混合溶液的催化降解性能;探讨了可见光催化降解机理。结果表明,添加适量的rGO可有效减小光催化剂的能隙(Eg),抑制光生电子/空穴对(e-/h+)的复合,拓宽和增强复合材料对可见光的响应,从而增强可见光催化降解有机污染物性能。Fe3O4@SiO2@Bi2O2CO3/rGO(x=0.15 g)的比表面积(SBET)、饱和磁化强度(Ms)和Eg分别为102.12 m~2/g、25.4 emu/g和3.05 e V;在可见光照射90 min,其对单一CIP、TC–H和MO的降解率分别达到96.1%、94.2%和99.3%,矿化率分别为57.5%、59.7%和88.2%。同时其对MO、RhB和MB混合溶液表现出优异的脱色性能;光催化过程产生的活性物质包括·O2-、·OH和h+,其中·O2-是主要活性物质。Fe3O4@SiO2@BiFeO3/rGO(x=0.15 g)的SBET、Ms和Eg分别为139.26 m~2/g、20.3 emu/g和1.91 e V;其对单一CIP、TC–H和MB的降解率分别达到98.2%、95.6%和99.6%,矿化率分别为59.6%、61.1%和91.7%。同时其对MO、RhB和MB混合溶液也表现出优异的脱色性能;光催化过程产生的主要活性物质是·OH。采用水热法制备了以Fe3O4@SiO2微球为核,BiFeO3和海泡石(Sepiolite)为表面功能层的新型磁性核壳型Fe3O4@SiO2@BiFeO3–sepiolite复合材料。Fe3O4@SiO2@BiFeO3–sepiolite(x=0.4 g)的SBET、Ms和Eg分别为126.68 m~2/g、18.2 emu/g和2.09 e V。海泡石因其独特的结构、高比表面积和介孔通道,加入适量即可使其与BiFeO3之间产生协同作用,显著提高了e-/h+的分离能力,从而增强其光催化性能。在暗室吸附30 min后可见光照射60 min,Fe3O4@SiO2@BiFeO3–sepiolite(x=0.4 g)对单一CIP、TC–H和MB的降解率分别达到90.3%、100%和99.8%,矿化率分别为53.6%、61.9%和92.3%,并对MO、RhB和MB混合溶液表现出优异的脱色性能;光催化过程中产生的活性物质包括·O2-、·OH和h+,其中·OH是主要的活性物质。总之,制备的上述3种磁性复合光催化材料不仅对MO、RhB和MB有机染料和CIP、TC–H抗生素具有优异的光催化降解性能,同时还具有良好的磁分离回收性能、稳定性和循环使用性能。特别地,以海泡石代替rGO制备的Fe3O4@SiO2@BiFeO3–sepiolite还降低了制备成本。因此,本研究所制备的Fe3O4@SiO2@Bi2O2CO3/rGO、Fe3O4@SiO2@BiFeO3/rGO和Fe3O4@SiO2@BiFeO3–sepiolite在有机废水处理中具有广阔的应用前景。
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