CD/Fe3O4复合材料的制备及对己唑醇光催化降解的促进作用

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农药不科学使用导致残留污染日益严重,因此,农药等有机污染物的降解问题引起研究者的广泛关注。光催化降解技术具有绿色、低能、环保等优点,可有效的将有机污染物降解成二氧化碳和水,因此在催化研究领域备受关注。在众多关于光催化降解农药的研究中,ZnO、TiO2等纳米半导体材料在光催化系统中扮演着重要的角色。然而,纳米半导体材料在环境中毒性较大,且多数需要在紫外光下才有很好的降解效果。碳点(Carbon dots,CD)具有低毒、绿色、光致电子转移和双光子吸收等特点,已有报道表明,碳点在可见光下能够催化降解有机污染物,但碳点在光催化方面的研究并不成熟,单一结构的碳点催化效率不高,制备碳点复合材料能有效提高其催化性能。本论文采用水热合成法将纳米四氧化三铁与碳点复合制备得到碳点/四氧化三铁复合材料,并对复合材料的结构等进行表征,探究影响己唑醇的光催化降解效率的因素,提高复合材料的光催化性能,最后对复合材料安全性进行简单预测。主要研究内容和结果如下:(1)以柠檬酸为碳源,采用水热合成法制备出碳点,通过共沉淀法制备出纳米四氧化三铁,在制备碳点方法的基础上,加入纳米四氧化三铁,制备出碳点/四氧化三铁复合材料。利用透射电镜、X射线衍射、荧光分光光度计等表征手段对其结构、形貌、主要成分和光学性质进行检测,研究结果如下:通过透射电镜发现,制备的碳点/四氧化三铁复合材料为许多大小不一、近乎球状结构,这些球状结构是由多个碳点和四氧化三铁包裹聚集而成;通过X射线衍射结果发现,复合材料中与碳点复合的主要物质为纳米四氧化三铁;从荧光分光光度计的测定结果中发现,最佳激发波长红移,且激发波长范围增加,这有利于可见光下的能量吸收及电子跃迁,更好起到光催化降解农药的作用。(2)对碳点/四氧化三铁复合材料的光催化效果进行研究,结果如下:碳点与纳米四氧化三铁复合能明显提高己唑醇在可见光下的降解。对己唑醇降解过程动力学分析发现,在碳点/四氧化三铁复合材料的光催化降解作用下,己唑醇的降解符合一级动力学方程。(3)对影响己唑醇降解因素进行分析,结果如下:碳点/四氧化三铁复合材料浓度低于0.75 g/L时,随着浓度的增加,复合材料对己唑醇的降解作用逐渐增强,当复合材料浓度高于0.75 g/L时,对己唑醇的光催化降解效果的影响降低。考虑到用量、环保、成本等因素,选取0.75 g/L为碳点/四氧化三铁复合材料的最佳浓度。通过对制备复合材料中纳米四氧化三铁添加量进行研究,结果表明,10 g柠檬酸中,纳米四氧化三铁加入量高于0.01 g后,复合材料对己唑醇的催化降解作用没有明显提高。因此,将制备复合材料的四氧化三铁加入量定为0.01 g。分别设置己唑醇溶液pH为中性、弱酸和弱碱,探究pH对碳点/四氧化三铁复合材料光催化降解己唑醇的影响,结果发现中性条件下碳点/四氧化三铁复合材料降解效果最好。(4)对碳点/四氧化三铁复合材料毒性进行研究,结果如下:在碳点/四氧化三铁复合材料处理豇豆根部后,通过对株高和鲜重进行分析,发现复合材料对豇豆幼苗生长没有明显影响。通过对根系活力及叶片中叶绿素、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)分析发现,复合材料浓度为0.25 g/L时,豇豆幼苗根系活力、叶片中叶绿素含量、SOD活性和POD活性均与清水对照相比没有明显变化,说明在这个浓度下复合材料对豇豆幼苗没有毒性;浓度为0.5 g/L时,除了POD活性明显升高,发生了应激反应,其余指标与清水对照相比均没有明显变化,说明在浓度为0.5 g/L时,复合材料对豇豆幼苗也没有明显的抑制和损伤;但当浓度高于0.5 g/L时,在高浓度纳米材料胁迫下,豇豆幼苗的叶绿素含量、根系活力、SOD活性和POD活性均呈下降趋势,说明复合材料对豇豆幼苗产生损伤,且浓度越大,对豇豆幼苗的损伤越明显。因此,为了保护植物免受损伤,建议复合材料的使用浓度低于0.5 g/L。
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