基于痕量抗生素污染物去除的磁性铁氧体-二维MoS2@MOFs多功能异质结的构筑及光催化性能研究

Semiconductor photocatalytic technique has wide application prospect in antibiotic pollutant removal. However, low photocatalytic efficiency and high recycle cost are the bottleneck to restrict its development in practical application. Due to multifunctional heterojunction’s perfect effectiveness in extension of the light absorption range, increasing mobility and separation efficiency of photon-generated charge, enhancing effective adsorption sites, integrating multiple functions and forming synergistic effect, a series of rationally-designed magnetic ferrites-2D MoS2@MOF for adsorption and photocatalytic degradation of antibiotics are fabricated through sonochemistry, dipping, in-situ growth preparation, and self-assembly process. This project will systematically study the band structure, chemical composition, surface and interface microstructure, pore pattern of multifunctional heterojunctions and environment of reaction systems, including their influences to the degree and efficiency of adsorption and photocatalytic degradation for antibiotics. The structure-activity relationships between multifunctional heterojunction and antibiotics removal will be explored, and their effect on photodegradation mechanism will also be revealed. Meanwhile, our project will establish internal connections between synergistic effect of multifunctional heterojunction and enhanced photocatalytic efficiency. The implementation of this project will promote the development of multifunctional heterojunction photocatalysts with high efficiency, good reusability, and low cost to remove the antibiotic pollutant in water.

半导体光催化技术在抗生素污染物去除方面具有广阔的应用前景，但光催化效率低、回收使用成本高等问题成为当前制约该技术实用化的主要瓶颈。本课题利用多功能异质结具有扩展光吸收范围，促进光生载流子迁移与分离，增加有效吸附活性位点，形成多种功能集成和协同作用的优点，通过超声化学、浸渍、原位生长和自组装技术，设计制备系列新颖的可吸附和光催化降解抗生素的磁性铁氧体-二维MoS2@MOFs，系统研究多功能异质结能带构成、化学组成、微观形貌、表面结构、孔道形态以及处理体系等因素对抗生素吸附和光催化降解程度及效率的调控规律，探究磁性铁氧体-二维MoS2@MOFs与抗生素污染物去除之间的构效关系，揭示其对光催化反应机理的影响，确立多功能异质结协同工作机制与光催化效率提升的内在联系。该项目的实施有利于研制出具有实用意义的高效、低成本、可循环使用的多功能异质结构半导体光催化材料，实现对水中痕量抗生素污染物的有效去除。

近年来，抗生素已经成为水资源中重要的有机污染物，其高效去除是保护水环境的首要工作之一。光催化技术在抗生素污染物去除方面具有广阔的应用前景，但光催化效率低、回收使用成本高等问题成为制约该技术实用化的主要瓶颈。多功能异质结能保持并综合不同组分本征物理化学性质，形成多种功能集成和协同作用，有望同时满足高效、稳定性、可重复使用以及廉价等多种实际应用的需求。因此，本项目围绕痕量四环素污染物的去除，利用超声液相剥离法、共沉淀-溶剂热法和层层自组装技术可控合成出具有良好重复使用性和稳定性的Fe3O4-二维MoS2、Fe3O4-二维MoS2@ZIF-8和Fe3O4-二维MoS2@MIL-100(Fe)多功能异质结。获得的多功能异质结具有较大的比表面积和孔体积，表现出较好的吸附动力学拟合曲线，能很好地吸附四环素污染物，在可见光照射下(λ＞420 nm)150 min内对四环素的去除率分别达到82%，97%，98.3%。多功能异质结均具有超顺磁性，通过外加磁场可方便、快速地从悬浮液中分离出来，重复使用三次后对四环素污染物的去除率仍然在80%以上。多功能异质结组成中，二维片层状MoS2能吸收可见光且吸收率较高，多孔材料ZIF-8和MIL-100(Fe)可将水体中浓度较低的四环素富集在光催化活性位表面进行有效降解，吸附性能得以原位再生，具有超顺磁性的Fe3O4可同时作为良好的电子受体和电子传递介质，促进体系光生载流子的有效分离和传输，还能很好地解决回收和循环利用，降低使用成本。制备的多功能异质结结合了电荷传递和吸附活化形成多元协同作用，使材料的光催化效率得到提升。抗生素污染物去除率高、低成本、可循环使用和稳定性好等优点使该材料在环境治理和修复方面有广阔的应用前景，也为其它类型多元光催化体系的设计开发提供新思路。在本项目资助下，项目组人员共发表论文14篇，其中，SCI论文8篇，EI论文2篇，申请国家发明专利1项，培养硕士生4名。