【封面文章】南華大學(xué)周書葵：可見光驅(qū)動g-C3N4/NH2-MIL-101（Fe）活化PDS降解RhB
【封面文章】南華大學(xué)周書葵：可見光驅(qū)動g-C3N4/NH2-MIL-101（Fe）活化PDS降解RhB
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公眾號為中國化工學(xué)會工業(yè)水處理專業(yè)委員會運營專業(yè)平臺，平臺專注于水處理及環(huán)境領(lǐng)域?qū)W術(shù)、技術(shù)、項目、產(chǎn)業(yè)、資本、政策等多維度探討，致力于多方面資源融合。以科研、技術(shù)、項目、工程、運營、投融資等信息資源，助推工業(yè)行業(yè)綠色發(fā)展、助力環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
文章來源： 《工業(yè)水處理》2022年第7期
第一作者 ：周書葵
通訊作者 ：段毅
通過溶劑熱法，將–NH 2 引入MIL-101(Fe)合成NH 2 -MIL-101(Fe)，再將其負(fù)載于g-C 3 N 4 上，合成g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101(Fe)復(fù)合光催化劑。研究了該催化劑在可見光（Vis）照射下活化過二硫酸鹽（PDS）降解水中羅丹明B（RhB）的效果及活化機(jī)制。
過硫酸鹽高級氧化法具有pH適應(yīng)性廣、半衰期長、穩(wěn)定性高及氧化劑易儲存等優(yōu)點，將其與光催化結(jié)合，可以通過電子轉(zhuǎn)移加快鐵基MOFs中Fe 3+ 與Fe 2+ 之間的轉(zhuǎn)化，提高反應(yīng)效率。
1.g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）的制備
MIL-101（Fe）作為典型的鐵基MOFs，在光催化領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿?，通過二氨基對苯二甲酸（NH 2 -BDC）取代對苯二甲酸（H2BDC）得到NH 2 -MIL-101（Fe），可以提高原有MOFs的光催化性及光穩(wěn)定性。然而單一MOFs產(chǎn)生的電子空穴對易快速復(fù)合，限制了其在光催化領(lǐng)域中的應(yīng)用。為解決這個問題，論文將其與g-C 3 N 4 復(fù)合，制備了具有異質(zhì)結(jié)的光催化劑g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe），制備過程如圖1所示。
圖1 溶劑熱法制備g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）
2.g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）/PDS/Vis體系對RhB的去除效果及影響因素
論文研究了所制備的g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）在可見光（Vis）照射下活化過二硫酸鹽（PDS）降解水中羅丹明B（RhB）的效果，如圖5所示，相較于其他體系，NH 2 -MIL-101（Fe）/PDS體系及g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）/PDS體系對RhB的去除率均較高，表明NH 2 -MIL-101（Fe）和g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）的投加可顯著改善系統(tǒng)光利用率，且與NH 2 -MIL-101（Fe）相比，g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）復(fù)合材料具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，更能增強(qiáng)材料對可見光的吸收，顯著促進(jìn)載流子的轉(zhuǎn)移，同時還能夠降低光生電子及空穴的復(fù)合率，因此可進(jìn)一步提高催化降解RhB的性能。
圖5 不同體系下RhB的去除效果
30 ℃下，對包括初始pH、PDS投加量、催化劑投加量在內(nèi)的影響g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）/PDS/Vis體系降解RhB的因素進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6。由圖6得到反應(yīng)最佳條件為：初始pH=3、PDS投加量8 mmol/L、催化劑g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）投加量0.2 g/L。在此最佳反應(yīng)條件下，g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）活化PDS對RhB的去除率可達(dá)99.9%。
（a） 初始pH
（b） PDS投加量
（c） 催化劑投加量
圖6 不同反應(yīng)條件對催化劑催化性能的影響
3.穩(wěn)定性實驗
設(shè)定RhB初始質(zhì)量濃度為20 mg/L、光催化劑投加量為0.2 g/L、PDS投加量為8 mmol/L、初始pH為3、溫度為30 ℃，此條件下測定連續(xù)3次循環(huán)實驗RhB的去除率，實驗結(jié)果見圖8。
圖8 g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）的重復(fù)實驗
由圖8可知，連續(xù)3次循環(huán)實驗，去除率僅略微降低，表明g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）具有良好可重復(fù)利用性。
4.自由基鑒定及機(jī)理分析
采用甲醇（MeOH）、叔丁醇（TBA）、對苯醌（BQ）及乙二胺四乙酸二鈉（EDTA-2Na）作為SO 4 · - 、·OH、O 2 · - 及h + 的猝滅劑，研究g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）/PDS/Vis體系中自由基對降解RhB的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明：催化降解RhB的主要活性物種為h + 、·OH 和SO 4 · - ，其作用大小為h + >·OH >SO 4 · - 。在此基礎(chǔ)上對g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）/PDS/Vis體系的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行探究，推測RhB去除機(jī)理為：
（1）g-C 3 N 4 復(fù)合到NH 2 -MIL101（Fe）上形成異質(zhì)結(jié)，在可見光照射下生成e-及h + ，e-由g-C 3 N 4 傳遞到NH 2 -MIL-101（Fe）上，同時NH 2 -MIL-101（Fe）上的h + 傳遞到g-C 3 N 4 上；
（2）PDS接受光生電子產(chǎn)生SO 4 · - ，F(xiàn)e 3+ 接受e-及與PDS反應(yīng)生成Fe 2+ ，F(xiàn)e 2+ 又與PDS反應(yīng)生成Fe 3+ ，形成Fe 2+ 和Fe 3+ 之間的價態(tài)轉(zhuǎn)換；
（3）SO 4 · - 與H 2 O反應(yīng)生成·OH；
（4）在h + 、·OH 和SO 4 · - 的共同作用下，RhB被氧化為CO 2 和H 2 O。
（b） g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）/PDS/Vis體系的反應(yīng)機(jī)理
圖10 活性自由基分析及RhB去除機(jī)理
5.結(jié)論
通過簡單的溶劑熱法合成了g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe），其在可見光照射下能夠有效地活化PDS降解RhB，并且穩(wěn)定性較好，可重復(fù)使用3次以上。自由基猝滅實驗表明，g-C 3 N 4 /NH 2 -MIL-101（Fe）/PDS/Vis體系的主要活性物種為h + 、·OH和SO 4 · - 。
第一作者 ：周書葵，男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，湖南大學(xué)市政工程專業(yè)碩士研究生畢業(yè)?，F(xiàn)為湖南省高校重點這實驗室方向帶頭人，湖南省給排水學(xué)術(shù)委員會委員，衡陽市環(huán)保協(xié)會副理事，是鈾礦冶污染治理技術(shù)國防科技創(chuàng)新團(tuán)隊主要成員。主要從事水處理理論與技術(shù)、地下水放射性污染防治與評價、污染控制與資源化技術(shù)方面的研究工作。 E-mail：zhoushukui@usc.edu.cn。
通訊作者 ：段毅，男，博士，國家注冊公用設(shè)備工程師（給水排水），主要從事光催化技術(shù)、高級氧化技術(shù)、有機(jī)物降解和放射性廢水處理等研究工作。 E-mail：
（ 來源 ：《工業(yè)水處理 》 2022年第7期 ）
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編輯：徐俊英｜審核：李紹全
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