石墨烯基复合光催化剂双历程高效脱氯降解PCBs及机理研究

Polychlorinated biphenyls (PCBs), listed as a persistent organic pollutant, have caused serious pollution in our environment, and its treatment has become an important subject of environment science research. The project is to use the method of combining self-assembly or in situ deposition with photochemical reduction to prepare a novel structure nano Pd/TiO2/graphene composite catalyst, in which graphene is used as a support to simultaneously and selectively load nano TiO2 and Pd metal. Graphene in the catalyst has a unique two-dimensional structure, high specific surface area, transferring and shuttling electrons. It can significantly enhance the hydrogen production of TiO2 and it transfer and shuttle photogenerated electrons to drive the electrochemical reduction reaction on nano-Pd surface. Thus, two processes of catalytic hydrogenation and electrochemical reduction for the efficient dechlorination of PCBs are achieved. The photocatalytic reductive dechlorination mechanism of PCBs is studied, and the structure-activity relationship between PCBs molecular structure and photocatalytic dechlorination is proposed. The core of this project is based on the graphene's unique micro-structure and excellent electrical properties to build novel and efficient composite photocatalysts, and enrich the basic theory of the PCBs chemical pollution control. The aim is to establish a comprehensive and effective method of the treatment of PCBs pollutants, and provide scientific guidance to solve the water pollution control in the process of China's sustainable development.

多氯联苯(PCBs)被列为持久性有机污染物，它对我国环境造成了严重的污染，其治理已成为环境科学研究领域的重要课题。本项目拟采用自组装或原位沉积与光化学还原相结合的方法，以石墨烯为载体，制备石墨烯表面选择性负载纳米Pd和TiO2的新型结构的纳米Pd/TiO2/石墨烯复合光催化剂。该催化剂中石墨烯具有独特的二维结构、高比表面积、电子转移和穿梭作用，因此，可显著增强TiO2的制氢性能，并转移和穿梭光生电子驱动纳米Pd表面进行电化学还原反应，从而实现催化加氢和电化学还原两种历程高效地脱氯降解PCBs。研究PCBs光催化还原脱氯机理，揭示PCBs分子结构与光催化剂脱氯间的构效关系。本项目的核心是基于石墨烯独特的结构和电学性质构建高效脱氯的新型复合光催化剂，丰富PCBs污染控制化学的基础理论；目标是建立一种综合处理PCBs的新方法，为解决我国可持过程中的水污染综合治理提供一定的科学指导。

氯代芳烃有机物的治理已成为环境科学研究领域的重要课题。还原脱氯因能高效处置氯代有机物而逐渐受到科研工作者的极大关注。通过本项目的研究，基于对光催化剂的修饰有效调控光催化过程中光生载流子的迁移，设计和制备了用于还原脱氯处理氯酚和多氯联苯污染物的高效光催化剂。. 主要研究成果：设计并合成了TiO2、TiO2/RGO、Fe3O4/GO、α-FeOOH/GO等纳米功能材料，采用SEM、TEM、XPS、XRD、BET等技术对材料进行表征，并分别将其用作光催化剂、类酶催化剂或吸附剂，结果显示该材料对染料、氯酚污染物具有较好的去除效果。采用HF作为晶面控制剂合成了{101}/{001}晶面共同暴露的TiO2纳米晶催化剂，该催化剂因形成表面异质结致使光生电子和空穴在不同空间区域分布，实现光生电子高效地还原脱氯转化4-氯酚，其还原脱氯性能显著高于商用P25 TiO2催化剂，另外研究了溶解氧、空穴捕获剂种类及浓度对4-氯酚还原脱氯的影响以及还原脱氯机理。鉴于TiO2光生电子的能级较低，还原能力差，对多氯取代有机物的脱氯效果不理想，设计和合成了TiO2{101}晶面上选择性修饰贵金属的Pd/TiO2复合光催化剂。还原脱氯实验表明，该催化剂能实现对2,4-二氯酚快速地脱氯，同时没有其它氯酚等中间产物的累积，而且该催化脱氯活性明显高于表面非选择性修饰Pd的TiO2。借助石墨烯对光生电子的调控作用，设计并制备了TiO2和Pd双颗粒修饰石墨烯的Pd/RGO/TiO2复合催化剂，物理表征显示TiO2和Pd均附着在石墨烯表面。因TiO2和Pd在石墨表面独立发挥作用，复合催化剂对4-氯酚表现较高的还原脱氯活性，且活性高于Pd/TiO2催化剂，这主要归因于石墨烯对光生电子的转移、存储和穿梭作用。将上述Pd/TiO2和Pd/RGO/TiO2催化剂应用于4-氯联苯的还原脱氯处理，两种催化剂都能有效处理4-氯联苯。另外，作为催化剂中的关键组分，Pd可改变4-氯联苯的光催化还原脱氯机理。该项目的研究结果为我国可持续发展过程中氯代芳烃污染物的治理提供了一定的科学指导。. 共发表标注基金项目号的研究论文10篇（SCI论文4篇，中文核心3篇，一般刊物3篇）。指导本科毕业生获得湖北省优秀学士学位论文奖1次，联合培养硕士研究生4名。申请项目相关的国家发明专利2项。