MOF-钛基纳米材料复合物的制备及其光催化去除水中污染物性能研究

来源 :北京建筑大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:szw_jlcc
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如今,工业的快速发展往往伴随着重金属离子和有机污染物的产生。这些污染物毒性一般较大,对环境和生物造成威胁。因此,采取高效环保的方法去除这些污染物刻不容缓。在众多的处理方法中,光催化法因为其工作环境温和,绿色无污染和价格低廉等特点被广泛应用。金属-有机骨架材料(MOFs)是一种由金属离子/簇和有机配体通过配位自组装形成的周期性网状骨架的多孔材料,此类材料合成方法多样,易于培养单晶和活性位点可调等特点而被广泛应用在吸附、传感、气体分离与储存和催化等领域。TiO2及其衍生物、钛酸盐及其衍生物等钛基纳米材料因具有无毒低廉等特点也已广泛应用到环境领域。本文选取了一种由课题组自主合成的以Zn2+为中心金属离子的二维MOF材料(BUC-21)分别与钛酸盐纳米管(TNTs)、氮掺杂四钛酸钾(N-K2Ti4O9)和氮敏化二氧化钛(NHPI-TiO2)进行复合,对其复合物进行了表征,在紫外光、白光和可见光下探究了其对污染物的光催化去除性能,并探究了相应的机理。本论文的主要工作如下:1.采用简单水热法合成BUC-21,选择以TiO2(P25)为原料合成的TNTs与其通过简单球磨法制备了BUC-21/TNTs复合物(BT-X)。通过PXRD、FTIR、XPS、TEM、HRTEM、UV-Vis DR和Zeta电位等手段对其进行了表征。探究了BUC-21/TNTs在紫外光下光催化同步去除Cr(VI)和Cr(III)的性能,考察了溶液初始pH和无机-共存离子对其性能的影响。实验结果表明:由于TNTs可以快速吸附BUC-21还原出来的Cr(III),加速了BUC-21活性位点的释放,这种光催化还原与吸附的协同作用不仅实现了Cr(VI)和Cr(III)的同步去除,还加快了反应速率。该反应的最佳pH值为弱酸性,有利于BT-1(BUC-21与TNTs的质量比为1:1)的实际应用,且通过循环实验以及反应后PXRD和TEM的表征证明BT-1具有优异的循环性和稳定性。最后,采用XPS和Zeta电位对机理进行了探究。2.通过球磨法制备了BUC-21和N-K2Ti4O9的复合物(B1NX),并对复合物进行PXRD、FTIR、TEM、HRTEM、XPS、UV-Vis DR和PL等手段进行表征。探究了复合物分别在紫外光和白光照射下的光催化性能,考察了溶液初始pH、小分子有机酸和真实水体(湖水和自来水)对其性能的影响。结果表明,在紫外光照射下,N-K2Ti4O9的引入提高了光生电子的分离和转移速率,从而提高了光催化效率,最佳比例B1N0.5(BUC-21与N-K2Ti4O9的质量比为1:0.5)可在40 min完全还原Cr(VI);在白光照射下,无催化性能的BUC-21和N-K2Ti4O9复合后可在90 min完全还原Cr(VI),光致发光光谱、时间分辨光致发光分析和瞬时光电流测试验证了复合物较快的光生电子-空穴分离效率。循环实验过后和无机-共存离子实验也表明BUC-21/N-K2Ti4O9复合物具有良好的重复利用性和稳定性。最后,采用VB-XPS、活性物质捕捉和电子自旋共振测试对机理进行探究。3.选择N-羟基邻苯二甲酰亚胺敏化的二氧化钛(锐钛矿)(NHPI-TiO2)与BUC-21通过简单球磨法制备了一系列复合物(B1NTX),利用PXRD、TEM、HRTEM、XPS和UV-Vis DR对其进行了表征,并在小功率可见光下探究了复合物光催化降解双酚A的性能,证实复合物表现出比单独BUC-21和NHPI-TiO2更好的光催化降解效果。探究了pH对其光催化过程的影响,发现复合物在pH为5-9之间,其降解效率均可保持在92%左右,说明了复合物的酸碱性适用范围广。最后采用电子自旋共振对光催化过程中活性物质进行捕捉,探究其光催化过程机理。
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