金属有机骨架/无机半导体复合材料的制备及其可见光下催化降解双氯芬酸钠的研究

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在过去的十年中,金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)由于其优异的物化性质如高的比表面积、大的孔隙率、可调节的孔径以及优秀的结晶性、热稳定性和一系列光学性质,被广泛应用于气体存储、分离、催化、能源、传感和生物医学上并取得了巨大进展。无机半导体材料光催化技术是通过光催化剂利用太阳能用于二氧化碳还原、污染物降解、太阳能电池等领域,在解决当前全世界所面临的环境问题和能源危机上具有光明的前景。在研究中发现,将MOFs和无机半导体材料构建成复合材料用于光催化体系中,不仅能继承MOFs材料的多孔性和大比表面积以及无机半导体材料良好的光学性质,还能够通过调节MOF和无机半导体材料影响复合材料的性能,表现出不同于单一材料的独特性质,可以改善传统半导体催化从光生电子-空穴对复合快等缺陷。本文主要设计合成了Cr基金属有机骨架同Bi基半导体材料构建的可见光催化材料,用于降解典型的芳环类药物及个人护理品(Pharmaceutical and Personal Care Products,PPCPs)污染物双氯芬酸钠(Diclofenac Sodium,DCF),具体研究工作如下:(1)制备了一系列金属有机骨架/Bi基半导体复合材料,通过Rh B降解实验确定了能对可见光响应的材料,表明Cr基金属有机骨架/Bi基半导体复合材料具有可见光催化活性。(2)采用溶剂热法合成MIL-101(Cr)和NH2-MIL-101(Cr),再通过共沉淀法制备MIL-101(Cr)@Bi OBr和NH2-MIL-101(Cr)@Bi OBr复合材料。通过XRD、SEM、XPS、FTIR等表征手段对其进行表征,结果表明所制备样品中两种组分成功复合形成异质结。通过UV-vis DRS检测结果计算两种复合催化剂的禁带宽度分别为2.50和2.35e V。不同的组分配比会影响催化剂的催化性能。所制备的催化剂能在可见光下有效降解DCF,给定条件下(DCF浓度为10mg·L-1,催化剂浓度为0.6g·L-1)120min内DCF的降解率可达到98%。自由基捕获实验结果表明降解过程中的主要活性物种为光生空穴(h+),还有少量的羟基自由基(·OH)和超氧自由基(O2-)。(3)采用溶剂热法合成MIL-101(Cr)和NH2-MIL-101(Cr),再通过二次溶剂热法制备MIL-101(Cr)@Bi2Mo O6和NH2-MIL-101(Cr)@Bi2Mo O6复合材料。通过XRD、SEM、XPS、FTIR等表征手段对其进行表征,结果表明所制备样品中两种组分成功复合形成异质结。通过UV-vis DRS检测结果计算两种复合催化剂的禁带宽度分别为2.20和1.80e V。不同的组分配比会影响催化剂的催化性能。所制备的催化剂能在可见光下有效降解DCF,给定条件下(DCF浓度为10mg·L-1,催化剂浓度为0.6g·L-1)180min内DCF的降解率可达到98%。自由基捕获实验结果表明降解过程中的主要活性物种为光生空穴(h+),还有少量的超氧自由基(O2-)。
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