MoS2复合光催化剂制备及可见光催化降解有机污染物

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面对日益严重的环境污染,寻求高效降解有机污染物的手段已经成为目前的关键问题。相比降解周期长的微生物法,能耗大的电催化法,利用储备丰富且无污染的太阳能转化为具有利用价值的化学能的光催化方法从而达到降解污染物的目的是目前一大研究热点。由于光催化能量小,激发光生电子空穴易复合,对光的利用率低,无法得到真正的实际应用。因此,选择制备对光吸收利用度高、易受可见光激发且在反应过程中不易发生电子空穴重组的高效降解污染物的催化剂。作为一种典型过渡金属硫化物,具有类石墨烯结构的MoS2拥有丰富的边缘活性位点、可调节的禁带宽度和较宽的光响应范围成为新型光催化材料。但由于层间范德华力导致的团聚现象、导电性差以及电子空穴易复合等问题限制了其发展。在此基础上,将通过两种或以上的材料进行复合构筑多元异质结,通过改变负载量控制材料表面形貌,增加催化剂对光的吸收利用率,促进光生电子空穴的转移,从而提高光催化性能。具体研究内容如下:(1)将MoS2作为基底,利用水热法和化学法成功制备出三元复合可见光催化剂Cu/r GO/MoS2(CRM),研究了不同比例的Cu对性能的影响。30%质量比的Cu(CRM-30)光响应程度最好,加入少量H2O2能在5 min之内能将有机染料Rh B基本去除,且能在多次循环使用后保持稳定性。(2)在此基础上,为构筑出高效降解抗生素的光催化剂,以C3N4作为基底,将MoS2与Bi2WO6首先形成二元异质结并作为助催化剂,在预聚合形成过程中以MoS2/Bi2WO6(BM)的负载量对形貌进行控制。采用SEM、TEM、XRD等手段确定异质结的形成且稳定负载于基底C3N4上。研究发现,当BM的负载量为0.002 g,催化剂CN-BM2在可见光下,1 h内可降解98%以上的抗生素磺胺甲恶唑,且在循环使用5次之后降解效率还能达到97.7%;利用复合物之间形成的三元异质结可有效延长电子寿命,加快电子空穴的分离,通过对活性自由基的探讨发现超氧自由基(·O2-)与空穴(h+)起到主要作用。(3)为了进一步提高光催化剂的降解性能,采用具有一定禁带宽度,有潜力的二维材料黑磷(BP)替代宽带隙的Bi2WO6,并且在之前基础上改进了制备方法,通过一步煅烧法将C3N4、MoS2与BP形成大比表面积且多孔的三元复合物C3N4/BP/MoS2(CBM),当MoS2负载量为0.002 g时催化效果达到最佳;纯可见光照射条件下,在酸性(p H=5)条件下,1 h内抗生素盐酸环丙沙星降解至84.2%;在中性(p H=7)条件下,抗生素盐酸环丙沙星在1 h内能被完全降解。通过PL,PC和EIS证明CBM具有优异的光电性能,并且能够使得光生载流子快速分离且重合率低。从淬灭实验中发现环丙沙星的降解依赖于h+而非·OH或·O2-。循环使用5次后降解速率基本保持不变,表明该催化剂具有良好的循环稳定性。
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