TiO2基光催化材料的制备及PET纤维微塑料降解性能研究

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纤维微塑料(fiber-based microplastics,FMPs)作为一种新兴污染物已经对自然环境构成了严重的威胁。但目前仍没有有效的处理手段去解决这一环境污染问题。传统的塑料废弃物处理方式如焚烧和填埋不但不能有效地消除FMPs的威胁,而且还会诱发其他环境污染问题,如温室效应和土壤酸碱度失衡等。高效且环境友好型FMPs削减策略的提出不仅对生态环境的保护起到重要作用,而且对纺织化纤行业的绿色发展具有不可忽视的现实意义。光催化技术仅利用太阳能即可驱动化学氧化反应,具有高效、清洁、经济等优点。二氧化钛(Ti O2)因其成本低、无毒、稳定性好、效率高等多功能特性被认为是目前最具发展前景的光催化材料。通过产生具有高氧化性的活性物种如羟基自由基(*OH),超氧自由基(*O2-)及单线态氧(~1O2)等即可对污染物实现降解甚至矿化。但它的太阳能利用率及光催化反应速率受限于较宽的能带间隙(~3.2 e V)和光生载流子的快速复合。因此,本文以溶剂热法合成的氮掺杂Ti O2(N-Ti O2)纳米花为基体,利用掺杂技术实现能带间隙的缩短。通过在其表面分别负载铂(Pt)及氧化铋(Bi2O3)制备得到Ti O2基复合材料来抑制光生载流子复合。以目前产量最高,应用范围最广的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维为目标污染物,分别探究二者在不同催化体系中对PET纤维微塑料(PET-FMPs)的光催化降解性能。论文的主要研究内容如下:(1)本论文的第一部分以N-Ti O2为基体,通过光沉积法在其表面负载Pt纳米颗粒,制备得到Pt@N-Ti O2。Pt纳米颗粒的成功负载可在其与N-Ti O2基体之间构建肖特基势垒,从而能够有效地抑制光生载流子复合,提高光催化降解效率。实验结果表明,经180 oC/12 h水热预处理后的PET-FMPs失重高达28.96±2.59%,约为未经预处理PET-FMPs失重的5倍(5.83±0.82%)。通过对水热预处理前后PET-FMPs的研究发现,表面形貌,重均分子量及结晶度是影响其光催化降解效果的关键因素。(2)鉴于Pt为贵金属元素,成本较高且不利于实际应用。故而本论文第二部分仍以N-Ti O2为基体,通过湿浸渍法及煅烧法在其表面负载价格较为低廉的Bi2O3纳米颗粒,制备得到Bi2O3@N-Ti O2复合材料。Bi2O3纳米颗粒与N-Ti O2基体之间可通过形成Z型异质结来抑制光生载流子复合,提高光催化降解效率。此外,通过调节催化体系的p H为碱性,一方面可提供氢氧根离子有助于生成更多羟基自由基(*OH),提高体系的降解能力;另一方面可使PET-FMPs发生水解,使其表面由疏水性变为亲水性、重均分子量及结晶度下降,从而有利于活性物种进攻。最终实现PET-FMPs的全降解过程在常温常压下进行的目标,PET-FMPs的失重为10.23±1.9%。尽管降解效果有限,但弥补了水热预处理步骤繁琐且反应条件苛刻的缺点。因此,本论文通过制备高效且稳定的光催化复合材料,在不同的催化体系中实现了对PET-FMPs的有效去除,并对未来FMPs削减策略的提出具有一定的指导意义。
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