石墨烯复合修饰TiO2纳米管阵列光电催化降解环境污染物

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:lxj5186101
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二氧化钛纳米管阵列(TNAs)具有优良的化学稳定性、较高的比表面积、良好的光电活性、低毒性以及价格低廉等特点,尤其是优秀的光催化活性使其成为在太阳能利用、环境净化、光催化及光电催化领域研究较为广泛的材料之一。本文基于二氧化钛纳米管阵列优异的光电活性,与石墨烯拓展吸收光谱的特性有机结合并将其应用于典型环境污染物的光电降解过程,通过阳极氧化法、恒电流沉积法、循环伏安法、掺杂法等合成了RGO-Ce O2-TNAs、RGO-Cu2O-TNAs和RGOCr-TNAs三种复合材料,并研究采用三种材料做光电极时反应过程中各类反应参数对四溴双酚A(TBBPA)降解效率的影响,以及EDTA-Fenton体系协同RGOCe O2-TNAs对双酚A(BPA)的光电催化降解活性。实验结果表明:(1)三种材料对TBBPA均有较良好的降解性能,当采用RGO-Ce O2-TNAs,RGO-Cu2O-TNAs和RGO-Cr-TNAs做光电极催化降解TBBPA时,在最优化的条件下TBBPA降解率分别达到了84.8%,91.7%和91.2%;(2)Ce O2-TNAs、TNAs和Cr-TNAs的最优化的煅烧温度均为500℃,因为在500℃时TNAs中锐钛矿与金红石比例最佳,具有最高的光电活性;(3)采用RGO-Ce O2-TNAs,RGO-Cu2O-TNAs和RGO-Cr-TNAs做光电极催化降解TBBPA时,其最优溶液初始p H分别为7,5,7。p H值会通过影响TBBPA在溶液中的溶解状态以及三种材料的表面电荷进而影响其降解效率以及反应中具有氧化活性的各类自由基的生成效率。酸性条件有利于TBBPA在溶液中以非溶解态存在,更容易吸附在催化剂表面,有利于其降解过程的进行。另外,酸性条件有利于各类自由基的生成,有利于催化反应的进行。一般来说溶液p H值以中性偏酸性为佳;(4)采用RGO-Cu2O-TNAs光电催化降解TBBPA的过程中,空穴清除剂的种类和含量对降解效率的影响得以进一步研究,结果发现5%丙酮能够在最大程度上促进电子和空穴对的分离,并促进光电催化过程的进行;(5)采用RGO-Cu2O-TNAs光电催化降解TBBPA的过程中,TBBPA降解时产生的中间产物通过高分辨质谱仪加以分析时发现,TBBPA降解途径为氢氧自由基攻击并取代苯环上的溴原子,然后发生脱羟基反应进而脱去溴原子。另外氢氧自由基能够攻击与异丙基相连的苯环并将其取代,使TBBPA分子发生去苯环反应,生成溴代酚类化合物而降解;(6)在通过重复性实验测试RGO-Ce O2-TNAs光电催化降解TBBPA及EDTAFenton辅助光电催化降解BPA的过程中发现10次的重复性降解过程并没有对RGO-Ce O2-TNAs活性产生明显的影响。RGO-Ce O2-TNAs光电催化降解TBBPA的10次降解率在81.9%89.1%,EDTA-Fenton辅助RGOCe O2O-TNAs光电催化降解BPA的10次降解率在82.3%85.7%;(7)在采用EDTA-Fenton辅助RGO-Ce O2-TNAs光电催化降解BPA的研究中,除上述参数外,实验还对EDTA-Fenton体系的各类成分含量对BPA的降解效率进行了详细探讨。结果表明,当体系中Fe2+、H2O2、EDTA-2Na含量分别为1m M,20m M和5m M时,BPA的降解率达到最高,为仅仅采用RGO-Ce O2-TNAs光电催化降解BPA时的2倍左右。EDTA-Fenton辅助RGO-Ce O2-TNAs光电催化降解BPA的过程中,除RGO-Ce O2-TNAs在受到光照激发而产生一系列活性自由基能够具有降解BPA的能力外,EDTA-Fenton体系中存在的Fe2+-EDTA和Fe3+-EDTA同样具有光活性,能够受到光照激发而产生活性自由基降解BPA,从而提高了BPA的降解效率。
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