微波辅助黑磷量子点修饰铁酸铋强化催化氧化效能与机制

Fenton-like catalysis technology is used as the main method to degrade emerging contaminants. How to prepare catalysts with high efficiency, safe, stability and practicability is a pressing issue in above technology. Previous research results indicated that the rGO/BiFeO3 catalyst synthesized by microwave hydrothermal method had a catalytic degradation performance with controllable shape and PFOA could be degraded fast and efficiency in microwave enhanced Fenton-like (MW-Fenton-like) process, which has provided the theoretical basis and technical support for this project. Black phosphate material is a kind of new microwave absorption material. In order to improve the degradation rate of PFOA in MW-Fenton-like, this study will prepare a high catalytic material via BPQDs doping in BiFeO3 to further improve the performance of BiFeO3 by microwave assisted hydrothermal method. MW-Fenton-like process used BPQDs/BiFeO3 as catalysts will be set up to degrade PFCs. Gauss theory calculation will be joined in comprehensive pathways speculation and mechanism. The toxicity of the intermediates and products will be tested ecological toxicology experiments with a feedback control of removal ratio of PFOA and TOC removal ratio to ensure the high-efficiency PFOA removal ratio and the water in any case the safety and reliability.

类Fenton体系是目前去除水环境中新兴污染物的一种主要降解技术，制备高效、安全、稳定的催化材料，提升污染物降解性能是该技术的核心问题。在前期研究中，通过微波辅助水热法制备出了形貌可控、催化效能高的石墨烯/铁酸铋复合材料，同时在非均相氧化体系中引入微波场强化实现了对全氟化合物的高效催化降解。黑磷材料是现阶段发现具有微波响应的一种新型材料，为进一步提升类Fenton体系的催化氧化效能，本课题提出以铁酸铋为催化主体，引入黑磷量子点进行修饰，制备新型复合催化材料，增强铁酸铋对微波的吸收响应，提高催化活性；构建微波强化黑磷量子点/铁酸铋催化氧化体系并优化工艺参数，全面提升对全氟化合物的降解效能；结合量子化学计算与产物结构解析，揭示全氟化合物的氧化机制和降解路径，通过生态毒理学实验对全氟化合物中间产物及残留物的毒性进行检测分析，反馈调节氧化和矿化作用程度，实现全氟化合物的高效和安全去除。

全氟化合物和抗生素等污染物应用范围广、难降解、具有远距离迁移能力和毒性富集性，由于对全球范围内生态环境和人类健康危害较大成为研究的热点。类Fenton体系是目前去除新兴污染物的主要技术，而如何制备高效、安全、稳定的催化材料是该技术研究中亟待解决的问题。前期研究表明微波强化类Fenton体系可快速、高效去除水中模式污染物；微波辅助水热法制备出形貌可控、催化性能良好的铁酸铋催化材料，为本项目提供了一定的理论依据和技术支持。本项目采用微波辅助法，设计制备以泡沫镍为基体，黑磷量子点和银离子掺入铁酸铋，同时具备高催化性能和稳定性的复合催化材料，进一步提高铁酸铋的催化性能；建立微波强化类Fenton催化氧化全氟化合物体系和过硫酸盐催化氧化抗生素体系，识别影响该体系的关键因素并进行工艺优化；结合量子化学理论计算，揭示全氟化合物和抗生素的降解路径及作用机制，通过生态毒理学实验对全氟化合物和抗生素的中间产物及残留物的毒性进行检测分析，提出解决对策以保障出水安全。本研究发现黑磷量子点对调控钙钛矿材料电子结构有良好的作用，可在6分钟之内对全氟辛酸和磺胺嘧啶有良好的去除效果。主要原因是BPQDs触发BFO和Ag之间的电子重排，从而增强了Fe和Ag在费米能级附近的d轨道对增加导电载流子和电子迁移率的贡献。在BPQDs、BFO和Ag、Bi和Fe的协同作用下，带负电的OH-和S2O82-的吸附增强。这些结果为BPQD的概念验证提供了依据，BPQD用于修饰催化剂的电子结构，以增强去除水中新出现的污染物。