反蛋白石多级孔结构光芬顿试剂的制备及其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 handle ability, 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 iron oxide composites with inverse opal hierarchical porous structure, and apply them in the Photo-Fenton degradation of organic environmental pollutants. On the one hand, the inverse opal hierarchical porous structure with high surface area and ordered interconected macro-mesoporous pores, is conducive to improve the contact probability of pollutant molecules and the active center of the catalyst, thereby inhibiting The occurrence of side reactions and the loss of active components. In that case, it will effectively prevent the production of iron cement and inhibit the deactivation of the photocatalyst. On the other hand, the coupling of the optical absorption of the composite with the multiple scattering and slow light effect of the inverse opal structure can greatly improve the utilization of light of the catalyst. Moreover, the photo-generated electrons of the composite can promote the Fe3+/Fe2+ cycle reaction, thus improving the H2O2 utilization efficiency. In addition, inverse opal materials are easy to form film by dip coating method, which is beneficial for recovery and convenient for practical applications.

光催化芬顿技术虽然具有能耗低、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具有反蛋白石多级孔结构的铁氧化物复合光催化剂，并将其应用于光芬顿降解有机污染物。一方面，反蛋白石多级孔结构具有大的比表面积及有序的大孔-介孔联通孔道，有利于提高污染物分子与催化剂内部活性中心的接触几率，从而抑制光催化反应中副反应的发生，及活性组分的流失，有效抑制了催化剂中毒现象的发生，提高了催化剂的寿命；另一方面，可利用反蛋白石结构的多重散射和慢光效应实现与复合材料光吸收的最大耦合效应，促进材料对光子的吸收，大大提高材料对光的利用，并且复合组分的光生电子还可以促进Fe3+/Fe2+循环反应的发生，提高H2O2的利用率。此外，反蛋白石结构的材料很容易通过提拉法制备成膜，方便实际应用，有利于回收。

在国家自然科学基金面上项目（编号: 21777044）的资助下，制备了一系列具有反蛋白石多级孔结构的光（类）芬顿试剂，在双氧水或过硫酸盐存在的条件下，研究了其太阳光照射下降解染料、抗生素、抗性细菌、抗性基因等环境污染物的性能，同时深入研究了光（类）芬顿氧化体系中活性物种的生成转化规律及其降解污染物的机理。顺利完成了该课题的各项研究内容，达到了预期研究目标，主要学术成果如下：（1）制备了高品质的反蛋白石多级孔光（类）芬顿催化剂，实现对了水体中染料、抗生素、抗性细菌、抗性基因等污染物的高效光催化芬顿降解；（2）通过调控复合催化剂的微观结构、骨架组成、光化学性质等，建立了催化剂结构与光芬顿反应活性之间的构效关系，获得优化催化剂的制备与反应条件；（3）阐明了此类新型光（类）芬顿催化材料的催化反应机理，为基于反蛋白石多级孔结构光（类）芬顿催化材料的设计和应用研究提供了理论基础。以上研究成果，以项目负责人为第一作者/通讯作者发表标注的SCI论文30篇(其中中科院一区论文11篇，二区论文10篇，ESI高被引论文2篇)，包括Applied Catalysis B: Environmental 5篇、Chemical Engineering Journal 3篇、Journal of Hazardous Materials 2篇、ACS Sustainable Chemistry & Engineering 1篇，Chemosphere 1篇等；申请国家发明专利14项，其中3项已授权、11项已公开；培养博士研究生3名，硕士研究生生8名。