磁性少层氮化碳复合光催化材料的构筑及其降解有机污染物研究

Photocatalytic technology achieved wonderful performance in solving the problem of energy shortage and environmental pollution and became a hot topic to carry on. The visible-light response graphite carbon nitride (g-C3N4) has become the focus of photocatalysis and the few-layers carbon nitride has better photocatalytic performance, but the yield is low and difficult to separate. This project aims to improve the photocatalytic properties of g-C3N4 through peeling bulk g-C3N4 into few-layers carbon nitride by the intercalation of imidazole ionic liquids and ultrasound. The iron-based ionic liquids was used as the source and template for the in situ formation of spinel ferrite magnetic material (MFe2O4 = Co, Ni, Cu, Zn, etc.) on the surface of few-layers carbon nitride. When the excellent magnetic photocatalyst MFe2O4 combined with few-layers carbon nitride, it will form the heterojunction structure. The few-layers carbon nitride obtained the improved photocatalytic performance and magnetic property. The modulation of iron-based ionic liquids composition could be used to control the morphology and size of MFe2O4. The photocatalytic mineralization mechanism of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) and the structure-activity relationship of composite can be revealed by a series of characterization. This project could promote the research of the visible-light-driven photocatalyst MFe2O4/few-layers carbon nitride composite in the degradation of PAHs and provide new avenues for the control of contaminants.

光催化技术能有效解决能源紧缺和环境污染问题而成为研究热点。可见光响应的石墨型氮化碳(g-C3N4)成为光催化领域的焦点，少层氮化碳具有更优秀的光催化性能，但是产率低且不易分离。本课题拟通过咪唑型离子液体对多层g-C3N4插层，超声剥离高效制备少层氮化碳，提高其光催化性能。采用铁基离子液体为反应源及模板剂，在少层氮化碳表面原位生成尖晶石型铁氧体（MFe2O4, M = Co, Ni, Cu, Zn等）。MFe2O4是优秀的磁性光催化剂，可与少层氮化碳形成异质结结构提高少层氮化碳光催化性能及赋予其磁性分离能力。通过调变铁基离子液体组成，控制MFe2O4的形貌和尺寸。揭示多环芳烃污染物的光催化降解过程，研究复合材料结构与性能之间的构效关系；探讨其光催化性能增强、降解和矿化污染物机理。本课题的实施可促进MFe2O4/少层氮化碳可见光催化剂在多环芳烃污染物降解方面的研究，为污染物控制提供新途径。

光催化剂的降解性能、稳定性能和回收性能是影响光催化剂应用的关键问题，本课题对磁性材料增强半导体光催化剂性能开展了系统的研究。首先，采用简单的思路，利用硝酸的氧化性把氮化碳“裁剪”为纳米尺寸的氮化碳材料，研究其光催化降解污染物的能力；接下来，本项目围绕设计开发具有高活性、宽光谱响应复合磁性光催化材料的主题，制备了20余种复合光催化材料。主要包含磁性材料修饰氮化碳材料，磁性材料修饰银基材料达到既能够磁性分离，又能实现光催化性能提升的双重效果。.采用CoFe2O4、NiFe2O4、 BaFe12O19等磁性材料对氮化碳进行复合改性，通过水热、煅烧等方法制备了CoFe2O4/g-C3N4, g-C3N4/NiFe2O4, BaFe12O19/g-C3N4等一系列磁性氮化碳复合光催化剂。并以亚甲基蓝（MB）、四环素（TC）、罗丹明B（RhB）、甲基橙（MO）等为目标污染物考察了光催化剂在可见光照射下的光催化活性。磁性材料引入后，两者产生协同作用，复合材料活化H2O2降解污染物的能力得到明显提升。.为进一步研究磁性材料的作用机制，本课题组设计CoFe2O4、NiFe2O4、ZnFe2O4、Fe2O3等磁性材料对AgX(Cl, Br)、Ag3PO4、Ag3VO4等进行修饰改性，开展了一系列的研究。发现磁性材料能够有效促进复合物电子空穴分离，生成更多的活性物种，显著增强其光催化降解污染物的能力和催化剂的稳定性能。引入的CoFe2O4、ZnFe2O4能够吸附和活化O2，产生更多的H2O2和活性基团，增强复合物降解酚类污染物和杀菌性能以及循环稳定性。此外，引入的NiFe2O4还能够分解Ag3PO4材料原位产生的H2O2，实现了原位光芬顿反应。.本项目研究了磁性复合材料结构与性能之间的构效关系；探讨了其光催化性能增强、降解污染物机理。磁性材料对增强半导体光催化剂性能有一定的普适性，本研究加深了磁性材料促进光生电荷分离的理解，拓宽了磁性材料的应用。对磁性光催化复合材料应用于环境有机污染物的治理具有一定的现实意义。