Ag/Ag3PO4/HAP/GO复合可见光催化材料的制备及降解二甲双胍性能研究

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二甲双胍(MET)作为治疗2类糖尿病的一线药物,其在环境中的大量排放造成了巨大的潜在危害,基于太阳光驱动的光催化技术是最有潜力的环境中二甲双胍去除方法之一。Ag3PO4带隙窄、可见光响应良好、光氧化能力极强,但其光生载流子复合速率大,且光生电子会将Ag+还原成Ag单质,导致其光催化活性急剧下降。生物质羟基磷酸钙(HAP)对环境无毒害,可作为Ag3PO4的磷源,氧化石墨烯(GO)负载可以加强光生载流子的传递,三者共同形成复合结构可加快光生载流子分离传递,预期可以显著增强光催化性能。本文结合Ag3PO4和HAP各自的结构优势,借助超声作用通过原位离子交换制得Ag3PO4/HAP复合材料,进一步掺杂具有等离子体共振效应(SPR效应)的Ag~0和优异电化学性质的GO,合成Ag/Ag3PO4/HAP/GO复合材料,用于实现二甲双胍的光催化降解。采用XRD、SEM、TEM、FT–IR、UV-Vis、XPS、EIS等多种表征手段对复合光催化剂的结构、形貌、表面特性及光电化学性质进行表征,考察原料物质的量比、超声波强度、反应时间等对材料结构和光催化性能的影响,研究活性基团的光催化作用机制。得到以下结果和结论:(1)热重测试表明,随着热解温度升高,牛骨逐渐失去结晶水、脱除有机质,生成羟基磷酸钙,随着温度持续升高,羟基开始缓慢脱离,转变成磷酸钙。因此将牛骨小颗粒于800℃热解8 h,然后进行高能球磨制得HAP微纳米粉末。本文制得的生物质HAP,结晶度较差,表明易于发生表面离子交换。(2)原料n(Ag+):n(PO43–)为1:1时,即可制得光催化性能最优的Ag3PO4/HAP复合材料;样品制备过程的超声时间和超声功率均与光催化活性相关。光催化机理表明,在光照下,Ag3PO4价带上产生光生电子被激发到导带,进一步迁移到HAP的氧空位上,进而在光照下跃迁至HAP的导带将溶解氧还原成超氧自由基,最终与Ag3PO4价带上的光生空穴共同降解MET。(3)原料n(Ag+):n(PO43–)为2:1时,制得的Ag/Ag3PO4/HAP/GO复合材料的可见光催化性能最好,可见光照射30 min后可降解90.8%的MET,循环使用4次后,仍可降解80.6%的MET,说明纳米复合光催化材料极大提升Ag3PO4的载流子分离效率,材料的稳定性和重复利用性较好,有望应用于实际水体中MET的高效去除。光催化机理表明,在光照下,Ag3PO4价带上产生光生电子被激发到导带,然后通过GO迁移到Ag~0的价带上,接着通过光子热激发跃迁到Ag~0导带上,进一步通过GO迁移至HAP的导带将溶解氧还原成超氧自由基,最终与Ag3PO4价带上的光生空穴共同降解MET。
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