钨酸铜p-n异质结的构建及其催化超声降解金橙Ⅱ废水研究

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声催化氧化技术通过超声波与催化剂的结合可以提高有机污染物去除效率,在各种类型的催化剂中,金属钨酸盐以其成本低、安全性高、分布广等优点成为最具发展潜力的催化剂。CuWO4是一种n型半导体,具有2.2-2.4 e V的带隙能,低毒,在中性和酸性介质中具有优异的抗光腐蚀和抗化学腐蚀的稳定性。本课题组前期的研究结果表明,CuWO4作为一种声催化剂对有机化合物也有一定的降解能力,然而,小的带隙能量常常导致光载流子的重组,为了获得更好的声催化性能,需要有效地解决这一问题,提高催化剂声催化活性的方法有:形貌调控、离子掺杂、贵金属沉积和构建异质结等。构建异质结是如今普遍采用的方法,因此,本文通过构建异质结来改进CuWO4的声催化性能,并探究反应参数对目标降解物为金橙Ⅱ降解率的影响。首先,本文通过共沉淀法构建了Ag2O/CuWO4复合催化剂,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外漫反射(DRS)和比表面积测试(BET)对其进行表征,研究了Ag2O/CuWO4复合催化剂的催化超声降解工艺并进行优化,得出最佳参数为:Ag2O的复合比为10%,催化剂加入量为1 g/L,AO7初始溶液浓度为15 mg/L,超声功率为500 w,超声时间为1 h,在最佳参数下降解率可达84.97±2.23%。自由基捕获实验说明Ag2O/CuWO4催化超声降解AO7过程中生成的活性物质包括自由基(·OH)、空穴(h+)和超氧阴离子自由基(·O2-),基于此提出降解机理。Ag2O/CuWO4复合催化剂在超声催化分解过程中表现出良好的稳定性和可重复使用性。当K2S2O8的加入量为9 mg,超声15 min即可使AO7降解率达到99.01±0.04%,可有效降低处理含AO7废水的成本。其次,本文运用共沉淀法制备了Cu2O/CuWO4复合催化剂,利用SEM、TEM、XRD、XPS、DRS和BET对其进行表征。研究了Cu2O/CuWO4复合催化剂的催化超声降解工艺并进行优化,得出最佳参数为:Cu2O的复合比为40%,催化剂加入量为1.5 g/L,AO7初始溶液浓度为10 mg/L,超声功率为500 w,超声时间为1 h,最佳参数下AC-10催化超声降解AO7的分解率可达92.59±2.28%。Cu2O/CuWO4复合催化剂催化超声降解AO7过程中生成的活性物质包括·OH、h+和·O2-,Cu2O/CuWO4复合催化剂在超声催化分解过程中表现出良好的稳定性和可重复使用性。加入5 mg K2S2O8能有效的提高Cu2O/CuWO4复合催化剂对AO7的降解率,超声1 h降解率可达97.8±0.09%。本文通过构建异质结有效地延缓了e--h+对的复合速率,提高了复合催化剂的声催化活性,使CuWO4系列复合催化剂对AO7的超声催化降解率有了显著提高。本文的研究结果为进一步促进CuWO4基催化剂的研究与开发以及声催化降解技术的实际应用提供了研究基础。
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