【摘 要】
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当前,新型冠状病毒COVID-19正在全球肆虐,治疗新冠肺炎及其并发症离不开大量的抗生素,这些过量的抗生素进入水源无疑会造成很大的危害,而且废水中污染物成分复杂,因此迫切需要一种经济高效的手段来处理废水。半导体光催化技术已被证明对环境修复有很好的效果,选择和开发合适的光催化剂仍是当前光催化领域的重要内容。由于BiOBr具有较高的光催化活性与稳定性以及适中的禁带宽度,被认为是具有很好发展前景的半导体
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当前,新型冠状病毒COVID-19正在全球肆虐,治疗新冠肺炎及其并发症离不开大量的抗生素,这些过量的抗生素进入水源无疑会造成很大的危害,而且废水中污染物成分复杂,因此迫切需要一种经济高效的手段来处理废水。半导体光催化技术已被证明对环境修复有很好的效果,选择和开发合适的光催化剂仍是当前光催化领域的重要内容。由于BiOBr具有较高的光催化活性与稳定性以及适中的禁带宽度,被认为是具有很好发展前景的半导体光催化剂之一。但是,可见光吸收能力较差和光生载流子的快速复合会使单一半导体BiOBr的光催化活性受到限制。因此,为了解决BiOBr活性受限的问题,我们通过引入氧缺陷、构建异质结和形貌调控等方法对BiOBr进行改性优化,基于上述背景,本文构建了氧缺陷浓度可调的BiO1-XBr和BiO1-XBr/Ag Br、BiO1-XBr/CeVO4复合光催化材料,通过对废水中的多种抗生素和六价铬的去除效率来评价材料的光催化性能。此外还系统地研究了材料的晶体结构、微观形貌、光吸收性能、分子结构、光电转化性能、电磁性质等等。结果显示,所制备的含氧缺陷BiO1-XBr基复合光催化材料对比单一的BiOBr具有更好的可见光吸收能力和更高的光生载流子分离效率,因此对废水中的多种污染物具有极佳的去除能力。具体研究工作如下:(1)通过简单的油浴法和水热法合成了氧缺陷浓度可调的BiO1-XBr,并通过诺氟沙星和Cr(VI)的同时去除评价了不同浓度氧缺陷的引入对BiO1-XBr光催化性能的影响。其中,在前期油浴控制温度为90℃时,得到了氧缺陷浓度最高的BiO1-XBr(BOr-90),表现出了最优的光催化性能。在去除单一污染物的过程中,BOr-90在90分钟内降解了61.58%的诺氟沙星,并在20分钟内几乎还原了所有的Cr(VI)。在同时去除两种污染物时,BOr-90的光催化性能进一步提升,在90分钟内去除了90.15%的诺氟沙星,并在15分钟内几乎全部还原Cr(VI)。充分表明适当浓度的氧缺陷的引入可以有效扩大光吸收范围并捕获光生电荷,延长电荷寿命。(2)通过简单的水热法和化学沉积法制备了富氧缺陷的2D/0D BiO1-XBr/Ag Br Z型异质结光催化剂。Z型异质结构光催化系统能够促进光生载流子的有效分离并保持材料原有氧化还原能力。此外,在Z型异质结中引入的氧缺陷不仅可以提高可见光吸收能力,还可以作为反应的复合中心,从而促进电子和空穴的分离。值得注意的是,在可见光照射下,2D/0D BiO1-XBr/Ag Br(2:1)的光催化活性最高,能够在反应25分钟后去除81.19%的四环素,达到单独BiO1-XBr和Ag Br的2.62倍和2.03倍。此外,2D/0D BiO1-XBr/Ag Br(2:1)光催化剂的稳定性和重复使用性都很好,实验显示,在5个循环后四环素降解效率依旧保持稳定。(3)基于当前光催化领域利用一种光催化剂同时处理混合污染物方面的探索很少,我们通过水热法和沉积-沉淀方法合成了富含氧缺陷的BiO1-XBr/CeVO4S型异质结复合双响应光催化剂。将所制备的催化剂用于同时光催化还原Cr(VI)和降解四环素,以评估其光催化活性。其中,3BOr-CV对四环素的光催化降解效率是单纯CeVO4和BiO1-XBr的4.90倍和1.67倍。与此同时3BOr-CV对Cr(VI)的还原效率分别是单纯CeVO4和BiO1-XBr的74.20和3.51倍。值得一提的是,在混合污染物体系中,3BOr-CV光催化去除Cr(VI)和四环素的活性进一步提高,分别是原来单一污染物情况下的2.03倍和1.28倍。DFT计算、XPS和PL结果表明,S型异质结能够促进电子和空穴的分离。此外,EPR、UV-Vis DRS和有限元计算表明,氧缺陷可以扩大光吸收范围并有效捕获光生电荷。TRPL光谱显示,3BOr-CV的动态电荷分离能力显著提高。
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