导　　师： 朱润良

学科专业： H3002

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 中国科学院广州地球化学研究所

摘　　要： 随着国民经济的快速发展,进入水环境的有机污染物的数量和种类急剧增加,造成了严重的环境污染;因此,研制新型高效的污染控制材料与技术用于水环境污染治理已迫在眉睫。半导体光催化和异相光助芬顿催化均可利用太阳光催化降解有机污染物,且降解反应一般在常温常压下进行,具有高效、环保、能耗低等优点。近年来,天然纳米矿物已广泛应用于半导体光催化和异相光助芬顿催化领域去除有机污染物;但已有的研究显示,单一的纳米矿物光催化效率较低,其实际应用受到限制。另一方面,在异相光助芬顿体系中,Fe3+的还原过程是控制催化速率的主导因素;而在半导体光催化体系中,引入电子受体可促进半导体催化剂的光生电子与空穴分离。因此,通过改性纳米矿物或者将其与半导体材料复合处理、制备新型半导体/芬顿复合材料,有望通过产生协同效应来提高催化剂效能,进而提高纳米矿物在环境污染物治理领域的应用价值。本研究基于蒙脱石(Mt)和水铁矿(Fh)独特的物理化学性质,通过结构改性、表面修饰等方法制备了新型蒙脱石基半导体/芬顿复合材料—Ag3PO4/Fe-Al/Mt、BiVO4/Fe/Mt,和水铁矿基半导体/芬顿复合材料—BiVO4/Fh、富勒醇/水铁矿(PHF/Fh)。通过多种表征手段探究了复合材料的结构、形貌、光吸收和光生电子-空穴分离等性质;以酸性红18作为目标污染物,评估了各种复合材料的光催化性能。研究结果揭示了半导体/芬顿复合材料的微观结构和光催化性能之间的关系,从半导体与异相光助芬顿催化原理出发,提出了半导体/芬顿耦合技术的催化机理,并获得如下主要创新性成果:1.探明了Fe-Al/Mt对P型半导体材料(Ag3PO4)结构稳定性和光催化性能的影响机制。Ag3PO4/Fe-Al/Mt复合材料中的Fe3+可作为Ag3PO4的电子受体来抑制光生电子-空穴对复合,在提高Ag3PO4催化活性的同时也强化了其稳定性。但由于P型半导体的性质,使Ag3PO4/Fe-Al/Mt复合材料不适宜用于异相光助芬顿催化体系。2.阐释了N型半导体材料(BiVO4)对异相芬顿催化剂(Fe/Mt)结构稳定性和光催化性能的影响机制。BiVO4/Fe/Mt复合材料中的BiVO4受光激发时可提供自身产生的光生电子供Fe/Mt表面的Fe3+还原,从而加快H2O2分解产生·OH等自由基的速率,进而提高酸性红18的降解效果。研究结果表明引入N型半导体是一种可提高异相光助芬顿试剂催化活性的有效方法。3.探讨了半导体BiVO4与Fh的协同光催化机制,阐明了半导体与Fh在光催化过程中的电子转移机制。发现复合材料中的半导体矿物BiVO4可将受光激发所产生的光生电子传递给Fh中的Fe3+,从而加速了Fe3+向Fe2+的转换,增加体系·OH浓度。本研究为环境友好型、可见光响应以及可应用于中性环境下的异相光助芬顿催化剂的合成提供了新思路。4.阐明了纳米碳材料富勒醇(PHF)对异相芬顿催化剂(Fh)光催化降解酸性红18性能的影响机制以及催化体系中酸性红18的降解途径。研究发现激发态的PHF回到基态时,释放出的能量可将体系中的溶解氧敏化为1O2,同时激发态的PHF可传递电子给Fh表面的Fe3+,促进Fe3+还原成Fe2+,进而可以加快芬顿反应促进·OH形成,从而有利于有机污染物的降解。本研究为碳纳米材料与天然Fh对有机物污染物在地球环境中迁移和归趋的影响提供了新思路。更多还原

关 键 词： [7382534]半导体 异相光助芬顿 [3731777]耦合技术 纳米矿物 制约机制

分 类 号： [O643.36;X703]

领　　域： [] []