磷酸银基纳米材料的制备及其光催化降解四环素的性能研究
水环境抗生素污染已成为全球关注的环境问题，严重威胁着人类健康及生态系统安全。光催化技术凭借绿色高效、环境友好等优势，广泛应用于环境与能源领域，在水污染控制方面被视为最有应用前景的方法之一。然而，光生电子?空穴对的快速复合、太阳光利用率低及光催化材料回收利用困难等问题严重限制着光催化技术的实际应用。通过构建可见光响应的异质结结构、掺杂易回收材料可解决上述问题。因此，本研究通过构建Z型异质结结构，成功制备磷酸银/二硫化钼（Ag3PO4/MoS2）纳米材料并应用于可见光条件下典型抗生素废水的光催化处理，结果表明Ag3PO4/MoS2具有优异的光催化降解性能，Z型异质结结构有效促进了光生电子?空穴对的分离；在此基础上，成功掺杂Fe3O4纳米材料，制备磁性Ag3PO4/MoS2/Fe3O4纳米材料，进而实现了光催化材料的高效回收利用。本文主要研究内容和结果如下： （1）采用水热合成法制备高1T相含氧MoS2为助催化剂，通过离子交换法成功制备Ag3PO4/MoS2纳米材料并进行系统表征；基于制备的Ag3PO4/MoS2光催化剂，以四环素（Tetracyclinehydrochloride,TCH）为目标抗生素，在可见光照射下，探究了不同实验因素对光催化降解效率的影响，并对光催化降解机理及反应体系的毒性变化进行了分析。实验结果表明：最佳条件下（0.2g/LAg3PO4/MoS2,25℃,10mg/LTCH,pH=5），10min内TCH的降解效率可达98.9%，Ag3PO4/MoS2重复使用4次后降解效率仍可达91.3%，说明制备的Ag3PO4/MoS2纳米材料具有良好的光催化性能和化学稳定性；通过自由基捕获实验和电子顺磁共振波谱分析结果表明，h+、e?和?OH在光催化降解TCH的过程中起到了主要作用；结合实验及理论计算，对光催化降解TCH的反应机理进行了探究，结果表明MoS2与Ag3PO4间形成Z型异质结结构，有效促进了光生电子?空穴对的分离；基于毒性理论预测和细胞毒性实验验证发现，反应体系的生态毒性随着光催化反应的进行而逐渐减小；此外，在太阳光照射下，Ag3PO4/MoS2纳米材料对实际废水中不同抗生素（TCH:95.0%，诺氟沙星（Norfloxacin,NOR）：77.5%，磺胺二甲基嘧啶（Sulfamethazine,SMZ）：74.4%，60min）也表现出优异的光催化降解性能，说明Ag3PO4/MoS2光催化剂具有较好的应用潜能。 （2）由于粉末状光催化剂在实际应用中存在回收利用困难的问题，本研究以Ag3PO4/MoS2纳米材料为基础，成功掺杂Fe3O4，制备了磁性Ag3PO4/MoS2/Fe3O4光催化剂并进行了系统的表征分析；在可见光照射下，研究了磁性Ag3PO4/MoS2/Fe3O4纳米材料对TCH的光催化降解性能，优化了光催化反应条件，进而对Ag3PO4/MoS2/Fe3O4光催化降解TCH的反应机理和反应体系毒性变化进行了分析。实验结果表明，在最佳条件下（0.2g/LAg3PO4/MoS2/Fe3O4,25℃,10mg/LTCH,pH=5），通过7.5min的光催化降解反应，TCH的降解效率可达99.0%，重复使用4次后TCH的降解效率均在99.0%以上；通过反应前后Ag3PO4/MoS2/Fe3O4的表征结果分析表明，制备的光催化剂具有良好的可回收利用性和化学稳定性；通过自由基捕获实验和电子顺磁共振波谱分析发现，?O2?和h+在Ag3PO4/MoS2/Fe3O4光催化降解TCH的过程中起到了主要作用；结合实验分析及理论计算表明，Ag3PO4、MoS2和Fe3O4间形成的Z型异质结结构可进一步提高Ag3PO4/MoS2的光催化性能；通过毒性理论预测和细胞毒性实验验证，Ag3PO4/MoS2/Fe3O4光催化降解TCH的过程中，反应体系的生态毒性显著降低；此外，Ag3PO4/MoS2/Fe3O4纳米材料对实际污水处理厂出水中混合抗生素（TCH:93.6%,NOR:73.0%,SMZ:71.7%,30min）同样具有优异的光催化降解性能。 综上所述，研究了磷酸银基纳米材料对TCH的光催化降解性能，阐明了不同催化体系下TCH的反应途径及影响机制，探究了光催化处理过程中反应体系的毒性变化。本研究不仅为水环境中抗生素的有效去除提供了可借鉴的方法，同时为磷酸银基光催化材料的改性提供参考，进而拓宽光催化技术在实际污水处理过程中的应用。
高级氧化技术;光催化降解;抗生素;毒性评估;Z型异质结
吉林大学
硕士
环境科学
花修艺
2023
中文
X703
2023-08-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）