凹凸棒土-FexOy-TiO2-BiOBr高效磁分离可见光催化剂的构建及其机理研究

Photocatalytic oxidation is a promising technique for the degradation of organic pollutants. To achieve visible light response, higher quantum yields, lower costs and easy reusability is the most important target in this area. This proposal is based on attapulgite (ATP, a featured resource in Huai'an region) to design and fabricate ATP-FexOy-TiO2-BiOBr systems for use of magnetically separable photocatalysts with high performance under visible light irradiation, as expected from the strengths of individual components and the concerted effects. The correlation between the photocatalytic performance towards decomposition of phenol, aniline and the structure as well as the composition and loading amount will be greatly concerned. Moreover, the exploration of the interaction of organic molecules with catalyst surfaces, including adsorption thermodynamics and dynamics, will be carried out. The decay of activity and its failure mechanism will be also investigated. Overall, this proposal is not only conducive to developing a attapulgite-based photocatalyst with good stability, high activity, broader spectral response range and easy reusability, but also has theoretical significance in the area of attapulgite-based composite materials.

光催化氧化技术能降解矿化多种有机污染物，是具有广泛应用前景的水处理技术。实现可见光响应、提高量子效率、降低制造成本以及易于循环使用是目前该领域的追求目标。本项目基于淮安地区的特色资源凹凸棒土（ATP），设计制备含有ATP-FexOy-TiO2-BiOBr等多元结构复合的磁分离型光催化剂，发挥各组分性能上的优势及所产生的协同效应，使其兼具高效的可见光催化活性、优异的吸附性能和良好的磁分离功能。项目将以苯酚、苯胺等难降解有机污染物为探针，研究催化剂组成、微结构、负载量等因素对光催化性能的影响规律，阐明构效关系；研究催化剂与污染物分子的相互作用（包括吸附动力学和热力学），以及这些作用对催化性能的影响；研究有机污染物在此催化体系上降解矿化的过程和机理；探索催化剂在循环使用过程中的活性衰减和失效机理。项目的实施不仅具有理论意义，而且有助于研发稳定性好、活性高、波长响应宽、易回收使用的高性能光催化剂。

实现可见光催化深度降解有机污染物，并且所用催化剂制造成本低廉、易于循环使用，是目前光催化氧化技术在水处理领域追逐的重要目标。项目基于江苏淮安地区的特色资源凹凸棒土（ATP），利用FexOy磁性半导体、可见光活性催化剂TiO2-BiOBr与凹凸棒石之间的协同作用，构建出一种新型、高效、稳定的ATT-FexOy-TiO2-BiOBr磁分离可光催化剂体系。通过XRD、SEM、TEM、XPS、ICP、BET 、Uv-vis等手段研究了复合材料的结构、组分、吸收光谱、能带结构，实现了对催化剂结构、组成的有效控制，获得性能最佳的光催化剂。光谱学研究证明磁性组分磁性半导体与可见光活性催化剂形成II型异质结构，以及三元组分间的强耦合作用，是显著提高其光催化性能的主要因素。以甲基橙、对硝基酚、苯胺为探针，研究复合光催化剂的吸附、降解性能，采用自由基捕获实验、Mott-Schottky曲线、荧光光谱、交流阻抗、自旋EPR等手段，结合理论计算、气相色谱-质谱联用技术，研究有机污染物在此催化体系上降解矿化的过程，发现催化剂主要是超氧自由基（•O2-）和羟基自由基（•OH）机理。通过探索催化剂在循环使用过程中的活性衰减和失效机理，发现光催化活性组分在催化剂表面脱落，是其性能衰减的主要原因。因此通过接枝偶联剂，实现组分间的强耦合作用，是保持催化剂性能高效、稳定的关键，同时有利于充分发挥各组分性能上的优势并产生的协同效应。.项目的设计方案具有普适性，可用于ATT-ZnFeO4-BiOBr、ATP/g-C3N4、ATP/g-C3N4-Ag、ATP/g-C3N4-AgFeO2等新型光催化剂设计合成，同时开发了Ag -p-Ag2S/n-BiVO4三维等离子p-n异质结、新型Ag/P-AgBr/N-BiVO4等离子体异质结，以及过渡金属掺杂β-Ga2O3、层状介孔CeO2、纺锤型层状结构ZnGa2O4等光催化剂，发现在有机污染物或重金属离子的深度处理等领域的具有很好应用前景，并通过时间分辨荧光光谱、光电化学方法并结合理论计算深度研究了其反应机理。.项目的实施，为凹凸棒土基高效可磁分离光催化剂以及新型三维新型异质结光催化剂的设计、制备提供一套完整的实验方案和理论依据，对满足日益增长的环境需求具有重要意义。