锆基金属有机骨架复合材料的构筑及对环丙沙星吸附降解性能研究

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水污染已成为当前世界最严重的问题之一。受污染的水中常常含有各种有机化学物质,不仅会导致水体生态系统的破坏,而且危害人体健康。当前迫切需要寻找一些低成本、效率高的方法来处理污水。金属有机骨架材料(MOFs)由于其具有比表面积大、孔径可调和功能可设计性等特点,在催化吸附领域被广泛的应用。其中锆基金属有机骨架(Zr-MOFs)是最具吸引力的MOFs材料之一,因其具有良好的热稳定性,形成的多面体框架结构使其拥有大的比表面积,在吸附方面表现优异的性能。但是Zr-MOFs在特异性吸附方面存在缺陷,并且单一的Zr-MOFs是宽带隙材料,使其在光催化应用方面受限。因此对Zr-MOFs进行改性研究来扩展其在环境领域的应用。本论文以Zr-MOFs为基体,针对Zr-MOFs材料的优缺点,合成了H3PMo12O40@UiO-66-NH2、MOF-808@BiOCl、g-C3N4@Zr O2等复合材料,探究其去除污染物的能力,其主要内容如下:(1)通过溶剂热法将H3PMo12O40封装在UiO-66-NH2框架中,合成复合材料H3PMo12O40@UiO-66-NH2。以抗生素环丙沙星(CIP)为目标污染物来研究H3PMo12O40@UiO-66-NH2的吸附性能,实验结果表明H3PMo12O40@UiO-66-NH2在溶液p H=7、H3PMo12O40的用量为0.14 g的条件下对CIP的吸附效果最佳,最大吸附量qm为164.28 mg/g。实验数据表明该吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和拟二级动力学模型,同时该吸附过程是一个自发吸热反应。此外,吸附过程可能存在π-π相互堆积作用、氢键以及静电引力3种作用力。(2)通过水热法将高稳定性的金属有机骨架MOF-808与BiOCl结合来构建复合异质结材料MOF-808@BiOCl。在合成过程中调节MOF-808的投入量,来优化BiOCl晶面生长促使其光催化性能的提高。以CIP为目标污染物,探究了MOF-808@BiOCl在紫外光下降解CIP的效率,在当MOF-808质量分数为10%(该材料记作MCl-10)时,光催化活性最强。20 min之内对CIP的去除率可达94.7%。紫外-可见漫反射光谱的结果表明,MCl-10材料光吸收范围得到提高。此外,通过荧光光谱、光电流、阻抗等表征技术来考察材料的光电化学性质。自由基捕获实验表明超氧负离子(·O2-)和空穴(h+)是主要活性物种。基于以上实验数据,我们对于MOF-808@BiOCl体系提出可能的光催化机理。(3)异质结的构建是提高光催化性能最有效的方法之一。在这里,将MOF-808前驱体和三聚氰胺混合,通过在空气中热分解合成一系列具有多孔结构g-C3N4@Zr O2复合材料。该催化剂在可见光下降解CIP和罗丹明B染料中表现出较好的光催化活性。
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当前研究现状显示,光催化在处理环境污染方面的成效显著,因为光催化是一种绿色环保的污染处理技术,但光催化有一个最大的缺点,即光生电子-空穴复合效率高,无法达到我们所期望的处理效果。微波(MW)辐射由于其特殊的加热方式,被用于有机合成、环境处理等领域。从近年来不断涌现的微波辅助光催化反应的研究成果来看,微波产生的热点效应具有很好的加速化学反应发生的效果。微波增强的非均相类光催化工艺也显示出极强的氧化性