三维石墨烯/铁氧化物复合光催化剂的制备及其光芬顿降解有机污染物的研究

Though the Photo-Fenton technology has some advantages such as low energy consumption, low cost and handleability, high efficiency, easy to control and so on, but its low utilization rate of H2O2, narrow pH range of application, easy to inactivation, difficult to recycle and other shortcomings make it difficult to be large-scale application in environmental pollution treatment. This project intends to develop a series of three dimensional (3D) graphene/iron oxide composites, and apply them in the Photo-Fenton degradation of organic environmental pollutants. The graphene has an outstanding electronic transmission capacity, which can effectively improve the transfer efficiency of photo-generated charge carriers, thus significantly improve the utilization efficiency of H2O2 in the Photo-Fenton reaction. 3D-graphene has a unique 3D-network frame and 3D-porous structure whose surface can attract many photo-generated electrons owing to its strong electronegativity, which will be beneficial to the adsorption of iron ions, thus preventing the loss of iron ions during the Photo-Fenton reaction process. Under the neutral or alkaline condition, the iron ions are fixed in the 3D-frame of graphene, which greatly inhibits the diffusion of iron ions from the metal oxides surface to the solution. In that case, it will effectively prevent the production of iron cement and inhibit the deactivation of the photocatalyst. The introduction of graphene will greatly improve the photocatalytic activity and stability of iron oxides in the neutral or alkaline condition, and make the Photo-Fenton reaction break the application limitation of pH values. In addition, the 3D-graphene based composite synthesized by the chemical method has a strong mechanical strength and controllable appearance, which are very conducive to the recycling.

光催化芬顿技术虽然具有耗能低、方法简单、效能高、能控制等优点，但其较低的H2O2利用率、较窄的pH值应用范围、易失活、不易回收等缺点，使其很难大规模应用于环境污染处理。本项目拟开发一系列三维石墨烯/铁氧化物复合光芬顿催化剂，并将其应用于光催化降解有机环境污染物。石墨烯具有优异的电子传输性能，可以有效提高光生载流子的转移效率，从而大大提高芬顿反应中H2O2的利用率。三维石墨烯具有独特的三维网状孔道结构及强的表面电负性，可以吸附铁离子，从而防止光芬顿反应过程中铁离子的流失。中性或碱性条件下铁离子被固定在三维石墨烯的表面，这大大抑制了铁离子向溶液中的扩散，有效防止了铁泥的产生，抑制了催化剂的失活。石墨烯的引入，将大大提高氧化铁在中性和碱性条件下的光催化活性及稳定性，使其作为光芬顿试剂的pH值应用范围大大扩宽。另外，化学法合成的三维石墨烯复合铁氧化物具有强的机械强度及可控的外观，非常有利于回收。

光催化协同Fenton反应作为一种相对比较成熟的工艺，已经被应用于一定规模的污水处理。但光催化协同Fenton反应还存在一些问题，如：光生电荷转移效率低，导致参与铁离子循环的光生电子浓度过低，易在中性条件下生成“铁泥”发生中毒。此外，传统Fenton反应中H2O2的分解效率仍然处于很低的水平（<30%）。为了提高反应速率，往往需要加入大量的H2O2（30～6000 mmol/L）和Fe2+（18～410 mmol/L）以生成足够高浓度的羟基自由基等活性物种，这不仅增加了反应成本，高浓度的铁离子还容易生成“铁泥”引起催化反应中毒。为了解决这些问题，在本项目支持下，邢明阳教授团队成功制备了一系列三维石墨烯/铁氧化物复合光芬顿催化剂，并将其应用于光催化降解苯酚、罗丹明B、磺胺嘧啶等芳香族有机污染物。取得的创新性成果包括：1）提出“三维孔道限域效应”促进光生电荷的迁移与分离，实现中性条件下深度降解有机污染物的新机制；2）发展基于硫化物助催化（光）芬顿反应促进电荷迁移与分离，抑制铁泥生成，提高铁离子循环效率与双氧水分解效率的新策略；3）成功将开发的三维石墨烯/铁氧化物复合（光）芬顿体系进行中试试验（2～3吨水/天），用于处理印染废水与抗生素废水。项目负责人以第一或通讯作者发表SCI论文21篇，包括2篇Chem、1篇Nature Commun.、1篇Angew. Chem.、1篇Chem. Soc. Rev.、1篇Nano Lett.、1篇Adv. Funct. Mater.、1篇Mater. Horiz.、1篇J. Photochem. Photobiol. C、4篇Appl. Catal. B、2篇Environ. Sci. Technol.、1篇Water Res.等，其中，在IF>10期刊上发表论文13篇，9篇入选ESI高被引论文，2篇入选ESI热点论文。申请中国发明专利8项。获得国家优秀青年基金项目1项、国家重点研发计划青年项目1项，以及上海市“浦江学者”人才基金的资助。受邀在国内外学术会议上做邀请报告22次。获得2017年上海市自然科学奖一等奖（第二完成人）、2019年华东理工大学青年英才校长奖、2019年首届《Chinese Chemical Letters》环境化学青年科学家奖等奖励。