可见光响应固态石墨烯基复合光催化体系对水体中抗生素类物质的降解研究

Antibiotics are a class of persistent organic pollutants and widely existed in environment. They have received growing attention in the last decade because of their possible threats to aquatic environment and human health. Photocatalytic oxidation technique with advantages of less toxic and non-selective is an effective way to eliminate the antibiotics pollutants from water environment. The challenge in developing this photocatalytic system lies in improving the electron transfer mobility. Herein, we propose the fabrication of solid state Z-scheme photocatalytic system using graphene as an electron mediator by mimicking the natural photosynthesis that occurs in green plants. The photosystem I (PS I)/graphene/PS II contact interface is sufficiently high to decrease the probability of charge recombination and thus provides a great improvement in the degradation of antibiotics under visibile light. This work explores the structure-activity relationship among structure, contact interface and degradation rate, which provides new ideas for regulation interface process of nanomaterials and enhancing degradation efficiency of antibiotics.

抗生素类药物是一类在环境介质中广泛存在的难降解的持久性有机污染物。由于对水生环境及人体健康具有潜在的危害，因而受到了广泛的关注。光催化氧化技术由于其低毒、无选择性等的优点，成为去除抗生素类污染物的有效途径。该过程的关键在于提高光催化体系的光生载流子的迁移速率。本项目提出以石墨烯作为电子传递介质，模拟绿色植物光合作用的反应机理，构建光系统Ⅰ-石墨烯-光系统Ⅱ的Z型光催化体系，提高光催化体系内可见光激发的光生载流子的迁移速率，用于高效去除环境水体中的抗生素类药物。本项目探究纳米材料结构-界面过程-抗生素类污染物去除三者之间的构效关系，将为调控纳米材料的界面过程和提高污染物的去除效率提供思路。

抗生素类药物是一类在环境介质中广泛存在的难降解的持久性有机污染物。本研究以磺胺嘧啶、扑热息痛、2,4-DCP等抗生素类药物或难降解有机物为目标污染物，构建了石墨烯基新型固态光催化体系，在可见光下实现了有效降解，并初步探讨出磺胺嘧啶在可见光催化体系下的催化降解路径。结果如下：.（1）利用碱液法，通过调整水热时间一步合成了TNP/graphene、TNT/graphene以及TNB/grphene复合光催化体系。其中，TNT/grphene光催化降解2,4-DCP效率最高，与锐钛矿相TiO2相比，提高了97倍。通过表征发现，TNT与石墨烯接触更加紧密，形成的异质结结构更有利于光生载流子在界面间的迁移，产生更多的h+参与到光催化氧化过程中，同时光生电子与一部分h+与催化剂表面吸附的溶解氧及水分子发生反应，产生了更多的活性氧自由基，将污染物彻底氧化分解。本研究说明催化剂的形貌结构是影响催化活性的一个重要因素，可以为将来催化剂的设计及构建，提供新的理论基础，为后续提高光催化体系的活性提供新途径。.（2）利用溶剂热法构建BiVO4/Graphene（0D-2D）、BiVO4/Graphene（1D-2D）以及BiVO4/Graphene（2D-2D）三种光催化体系。在可见光下， BiVO4/Graphene（2D-2D）催化降解扑热息痛的效率最高。表征说明，这种二维-二维堆叠结构及界面间的紧密接触，更有利于界面间的电荷转移，提高了光生载流子的分离效率，并使得更多的空穴与羟基反应，提高了·OH的产生量。2D-2D 异质结构体系的构建，可以为克服光生载流子的复合提供一种有效的途径。.（3）石墨烯作为电子传递链，构建了CdS/Graphene/BiVO4三维复合光催化体系，在可见光下实现了对磺胺嘧啶的有效降解。研究发现，体系的•OH及O2•-为主要的自由基，三维体系更有利于电子-空穴对的分离，迁移到催化剂表面，发生各种氧化还原反应，产生了更多的自由基参与到污染物的降解中。同时由于石墨烯的存在，加速了光生电子在CdS和BiVO4的迁移速率，实现了对磺胺嘧啶的有效降解。在磺胺嘧啶的降解中，自由基主要攻击S-N键、C-N键，进行开环反应，将其进一步降解。该项内容的研究，可以为有效调控光催化剂的氧化性能，构建新型光催化剂提供新思路。