复合纳米硫化物催化剂制备及催化降解有机物研究

发布时间：2020-10-25 20:58

　　 光催化是公认的一种环境友好型高级氧化技术,从一开始致力于清洁能源开发(光解水制氢)到现在与环境保护及治理紧密结合,一直受到人们关注。光催化剂的物理化学性质决定了光催化反应的效果,根据光催化机理分析,一种优良的光催化剂需要具备吸光范围宽、化学性质稳定、无毒等优点,基于此,研究者展开了大量的研究工作,旨在开发对可见光响应能力强的光催化剂,通常采用光敏化、贵金属担载、离子掺杂、材料复合等方法,也有研究者认为纳米颗粒催化剂具有很好的纳米效应,有助于提高催化剂的光催化活性,因此,研究最多的是纳米级半导体催化剂。目前报道的光催化剂都具有良好的光催化活性,但是普遍存在以下缺陷:(1)纳米级催化剂易流失,一方面对水体造成污染,另一方面造成资源浪费;(2)无论是贵金属担载,还是光敏化,材料表面的贵金属和敏化剂很容易脱落,导致催化剂使用寿命短;(3)贵金属担载一般担载金属为金、钯、铂等贵金属,制备成本过高,不适用于大规模工业应用;(4)含重金属的光催化剂重金属溶出率高,容易造成水体重金属污染。另外,随着国家对污染物排放限制越来越严格,新的污染物控制标准增加了有毒、致畸污染物的控制指标,一般的生化处理工艺很难达到要求,特别是一些化工废水,由于水质成分复杂,有机污染物结构稳定,生化降解工艺很难使其矿化,为达到处理要求,常常使用臭氧氧化、Fenton反应等高级氧化工艺,这些工艺对难降解有机物有很好的矿化效果,但是,反应过程中产生的副产物给后续处理工艺及环境造成沉重负担,很大程度上增加了经济成本和环境成本;臭氧氧化技术和Fenton氧化技术无论是电能的损耗还是药剂消耗都相当可观,甚至出现污水处理成本高于产品生产成本,造成成本失衡,挫伤企业对废弃物治理的积极性。因此,提高环境质量,降低处理成本是目前环境保护领域亟待解决的问题,对光催化技术的深入研究也是势在必行。基于上述问题,本研究以金属硫化物为基础,就复合纳米硫化物光催化剂开展了以下研究:(1)将CdxZn1-xS半导体催化剂与软磁性材料四硫化三铁相结合,制备CdxZni-xS@Fe3S4核壳式磁性复合纳米材料,核-壳材料之间的协同作用较大地提高了半导体材料对光能的利用效率和催化降解效率,并赋予复合半导体材料以磁性,可以实现快速有效的固液分离,避免了纳米材料对环境造成二次污染,实现了催化剂的回收再利用,所制备的复合催化剂粒径均匀(7.5 nm),吸光域宽,禁带宽度适中(2.33 eV),饱和磁强度(35.02 emu/g)满足磁分离需要,在中性环境下300 W氙光灯照射30 min,对亚甲基蓝和苯酚都有较高的降解效率。(2)将CdxZni-xS半导体催化剂与金属有机框架材料结合,制备了CdxZni-xS@MIL-101(Cr)复合多孔催化剂,该材料是将纳米光催化剂CdxZni-xS嵌于高比表面积的多孔MIL-101(Cr)金属有机框架材料中,既克服CdxZm-xS存在的团聚、机械损失、光腐蚀等造成的流失和催化活性降低等问题,又由于其高富集能力和与 CdxZn1-xS之间的电子传递作用构成的协同作用而使催化活性大大把强,所制备的复合催化剂具有较宽的吸光域和较大的比表面积(1127 m2g-1),对有机物有较高的降解效率。(3)结合上述两种体系的优点,将纳米半导体催化剂CdxZn1-xS颗粒嵌于含铁元素的双金属有机骨架材料MOF-Zn/Fe 的空心内腔中,制备成CdxZn1-xS@MOF-Zn/Fe纳米复合材料,赋予复合材料以良好的吸附性和可见光催化降解能力,并由于部分铁离子进入到CdxZn1-xS晶格中,大大提高了半导体光催化材料光利用效率和催化降解效率,并降低了重金属离子的溶出和催化剂的机械流失,提高了催化剂稳定性,Cd0.2Zn0.8S@MOF-Zn/Fe纳米复合材料具有较强的可见光响应能力和较大的比表面积(1734 m2g-1,在中性环境下能够有效降解有机物。(4)以制备方法简易、原料廉价易得、催化降解性能好、性能稳定、环境友好等为目标,将纳米半导体催化剂Ti02嵌入到球形花状MoS2花瓣层间,制备成MoS2/TiO2复合纳米材料,利用两种组分带隙的差异,调整复合材料的吸光范围,保留两种组分较大比表面积和均匀介孔结构的优势,进一步提高了半导体材料对光能的利用效率和催化降解效率。(5)最后比较了 Cdo.2Zn0.8S@Fe3S4、Cdo.8Zno.2S@MIL-101(Cr)、Cdo.2Zn0.8S@MOF-Zn/Fe、MoS2/TiO2四种催化剂材料的光催化活性和工业应用潜力。其中MoS2/TiO2具有较强的物理化学稳定性、光催化活性强、廉价无毒等优点,最适合大规模工业化推广应用。用MoS2/TiO2为催化剂,模拟降解实际的焦化废水二沉池出水中的有机物,催化剂使用量3 gL-1,反应环境pH值在6～9范围内,反应120min后达到降解平衡,GC/MS结果显示,原水样中61种有机物减少至23种;通过分析,TOC、CODCr和酚的去除效率分别达到63.2%、70.4%和85.8%,说明MoS2/TiO2催化剂对焦化废水中多种污染物都有较好的去除效果;以此为基础,验证了 MoS2/TiO2催化剂在多种污染物存在情况下的光催化活性,对石油烃、酸、醇、醛等有机物降解速率最大,不足以使多环芳烃矿化。据此,评价了MoS2/TiO2催化剂的工业应用价值,阐述了以MoS2/TiO2为催化剂的光催化反应体系的环境效益和经济效益。
【学位单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;X703
【部分图文】：

Ｆｉｇ．?２－３?Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ?ｉｍａｇｅｓ?（Ａ）?ａｎｄ?ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ?ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ??ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙｉｍａｇｅｓ?（Ｂ）?ｏｆ?Ｃｄ〇．２Ｚｎ〇．８Ｓ＠Ｆｅ３Ｓ４??图２－４是Ｆｅ３Ｓ４和Ｃｄｏ．２ＺｎＱ．８Ｓ＠Ｆｅ３Ｓ４的磁滞回线图谱，从图中可以看出，四??硫化三铁的饱和磁强度为５３．８ｅｍｕ／ｇ，具有较小的矫顽力。Ｃｄａ２Ｚｎ〇．８Ｓ＠ＦＷＳ４的??磁滞回线阁谱显示饱和磁强度为３５．０２?ｅｍｕ／ｇ，与四硫化三铁相比，饱和磁强度??降低，原因有两点，第一，在四硫化三铁晶体外均匀包裹一层ＣｄｃｕＺｎａｓＳ壳层，??对磁场具有阻滞作用；第二，磁性材料在整个体系中所占的比例较小，导致??Ｃｄ〇．２Ｚｎ〇．８Ｓ＠Ｆｅ３Ｓ４体系的饱和磁强度降低。同理，相比于Ｆｅ３Ｓ４，?Ｃｄｏ．２Ｚ＿Ｓ＠Ｆｅ３Ｓ４??体系的矫顽力也有所降低。上述磁学性质，可以保证材料在无外加磁场的情况下??很容易消磁，有利于在水溶液中分散，在外加磁场存在的情况下使其磁化，有利??于颗粒团聚

含量增加有利于ＣｄｘＺｎｕｘＳ壳层掺杂更多的Ｆｅ原素，这可能是导致??ＣｄｘＺｎｌ－ｘＳ＠Ｆ？Ｓ４复合材料的禁带宽度随着Ｃｄ含量的增加而增加。??从图２－５分析，Ｃｄｏ．２Ｚｎａ８Ｓ＠Ｆｅ３Ｓ４禁带宽度相对较小，并且在可见光区表现??出良好的光吸收性能，因此，Ｃｄａ２Ｚｎ〇．８Ｓ＠Ｆｅ３Ｓ４可作为优选的光催化剂进行研宄。??２１??

利用ＴＯＣ分析仪分析亚甲基蓝溶液和苯酚溶液降解过程中总有机碳浓度的??变化，在光照反应的同时，在相同条件下做避光反应平行实验，测试催化剂吸附??亚甲基蓝和苯酚的量。从图２－６Ａ和２－７Ａ中可以看出，当使用ＣｄｘＺｎｉ－ｘＳ材料作??为光催化剂时，随着纳米复合材料中Ｃｄ含量的增加，亚甲基蓝和苯酚的降解效??率增加。以核壳结构的ＣｄｘＺｎ１－ｘＳ＠Ｆｅ３Ｓ４纳米复合材料为催化剂，与相应的??ＣｄｘＺｎｉ－ｘＳ材料相比，对亚甲基蓝和苯酚的去除效率有所提高，并且，??ＣｄｘＺｒｕ－ｘＳ＠Ｆｅ３Ｓ４的催化性能随着Ｃｄ含量的降低而升高。进一步证明了少量铁离??子的引入有利于改善催化剂的降解性能。结果显示，Ｃｄ〇．２Ｚｎａ８Ｓ＠Ｆｅ３Ｓ４对亚甲基??蓝和苯酚的降解具有最高的光催化活性。这些结果与ＣｄｘＺｎｉ－ｘＳ＠Ｆｅ３Ｓ４和??ＣｄｘＺｎｉ－ｘＳ纳米复合材料中禁带宽度随着Ｃｄ／Ｚｎ的比值改变而变化的趋势完全一??致。以０（１（）立肌８８＠？６３３４作为催化剂，光催化降解亚甲基蓝３〇１１１１１１内降解效率??达到９６．８％，２ｈ内亚甲基蓝完全消失，光催化降解苯酚３０?ｍｉｎ内降解效率达到??９８．２％
【参考文献】

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本文编号：2855949