磁性石墨烯光催化纳米吸附剂的构筑及其对PAHs富集-催化降解研究

Photo-catalysts with high degradation performance for the carcinogenic persistent organic pollutants such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are very important materials in environmental protection. Aiming at the difficulties of reproducibility of adsorbents and completely removal of PAHs, novel magnetically separable graphene-based composite titanium dioxide photocatalytic nanoadsorbents (graphene/Fe3O4@TiO2) will be designed and prepared, and the enrichment and photocatalytic degradation performance/mechanism for typical PAHs compounds will be researched. The researches include: 1) 2 to 3 kinds of novel graphene/Fe3O4@TiO2 photo-catalytic nanoadsorbents will be designed and prepared, and the preparation process will be optimized; 2) The enrichment and photo-degradation processes of PAHs will be researched in the presence of graphene/Fe3O4@TiO2 photo-catalysts by in situ characterization analysis. The corresponding degradation mechanism will be explored by the quantum chemical calculation, and the important role of graphene unit during the degradation process will be revealed.

高性能光催化剂是降解水体中多环芳烃（PAHs）等持久性石油类污染物的重要材料。针对普遍存在的PAHs吸附剂难以对PAHs彻底消除、吸附剂本身再生困难的问题。本项目结合吸附剂的高效富集性能与光催化剂能降解有机物的性质，设计制备一类新型具有磁性分离功能的石墨烯基纳米二氧化钛光催化吸附剂，用于对石油类污染物PAHs的高效富集及彻底降解，主要开展如下内容：（1）2-3种磁分离的石墨烯基复合纳米二氧化钛光催化吸附剂（石墨烯/Fe3O4@TiO2）的设计、制备与表征，及制备工艺的优化；（2）研究PAHs分子在新型催化体系中的磁性富集及光降解反应过程，采用原位表征分析，结合量化计算，探索羟基自由基、过氧自由基、超氧自由基分别与PAHs分子不同位置发生反应的机理，并揭示石墨烯结构单元在降解反应中的作用机制。

针对普遍存在的PAHs吸附剂难以对PAHs彻底降解、吸附剂再生困难的问题。本项目设计制备具有可磁性分离、可见光下能彻底降解PAHs的、可再生的石墨烯基纳米二氧化钛光催化吸附剂，用于对PAHs的高效富集及彻底降解。主要开展了如下内容： .1）、设计制备并表征一类氮掺杂的磁性石墨烯基纳米二氧化钛光催化吸附剂（GO-FSNTs）。该类吸附剂具有良好磁响应，在可见光下可对PAHs彻底降解。.2）、研究了GO-FSNTs在可见光、太阳光下对水体中PAHs的吸附和光降解。通过EPR光谱对比了材料在黑暗、可见光、太阳光下的自由基，结合自由基猝灭实验结果，探究了GO-FSNTs催化光解中的自由基种类。通过不同降解时间的GC-MS分析和DFT计算，结合光解过程中的自由基，提出PAHs降解的反应历程。.3）、运用DFT计算方法；结合FTIR和XPS等表征了吸附-光解前后材料的变化，探索了羟基自由基、过氧自由基、超氧自由基分别与PAHs分子反应的机理。发现光解促进GO-FSNTs对水的吸附，而吸附的水分子会光解产生氢氧自由基(•OH)，产生的•OH反过来加速了对PAHs的光解。提出了光催化活性与光致亲水性之间的关系。通过光解完成了对材料的脱附，材料再生性能良好，循环使用三次后降解效率仍然能达到86%。与报道的类似材料相比，本项目制备的GO-FSNTs用量更少，用时更短，对PAHs的光解效率可达95%。为发展更高活性、彻底降解PAHs的光催化吸附剂材料提供了理论基础。.此基金支持下，还从事了高性能的层状过渡金属氧化物正极材料的研究。合成了具有暴露{010}晶面及元素均匀分布的O3型NaNi0.5Mn0.5O2中空棒状材料。结构的巧妙设计赋予了该材料的高可逆容量、出色的倍率能力以及超长的循环寿命。与同类材料的大幅衰减相比，中空棒状材料的中值电压可保持稳定。此研究结果对从结构角度来设计高性能钠离子正极材料，具有一定的参考价值。.以CaF2作为掺杂剂进行F-/Ca2+协同掺杂来改善P2型Na2/3Ni1/3Mn2/3O2的循环稳定性。共掺杂成功抑制了不利的P2-O2相变，并显著提高了结构稳定性、循环性能和倍率性能。研究结果有助于设计其他钠离子电池的长寿命、高倍率正极材料。