负载型ZnIn2S4的制备、改性及其降解污染物研究

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近年来,三元金属硫化物因独特的电子和光学特性而被大量研究,为其在光催化的应用中提供了理论基础。但粉体状催化剂因可见光催化效率低、难分离回收以及催化剂的长期稳定性等缺点限制了其在实用化进程中的应用。本文以空心玻璃微珠(HGM)为载体,采用水热法制备了负载型HGM/ZnIn2S4光催化材料,并对其形成过程和光催化降解罗丹明B机制进行了研究。通过还原氧化石墨烯(RGO)进一步改性其催化性能,并以自制最优催化剂对Cr(Ⅵ)进行了光催化还原研究。研究内容总结如下:(1)本文采用物理、化学方法对HGM进行预处理,通过水热法将ZnIn2S4成功负载于HGM上,从而制备出HGM/ZnIn2S4复合微球,并初步探索了HGM/ZnIn2S4复合微球的制备工艺。研究发现,该类复合型HGM/ZnIn2S4复合微球具有较高的可见光催化活性,在模拟可见光照射1 h内,HGM/ZnIn2S4对罗丹明B的降解率可达99%。通过SEM、XRD、XPS、UV-vis等表征手段对样品形貌、晶体结构和光学性质进行了系列表征,探索了HGM预处理程度,水热时间对HGM表面ZnIn2S4形貌结构的影响,最终确定制备复合微球的最适条件。此外,通过不同水热反应时间提出了ZnIn2S4在HGM表面定向自组装的可能机制和形成过程。(2)以罗丹明B为污染物代表探讨了HGM/ZnIn2S4催化剂在光催化反应过程中的活性物种并提出降解罗丹明B染料的可能机理。通过在降解实验过程中添加不同自由基捕获剂IPA、EDTA和BQ表明,三种捕获剂对光催化均有一定的影响。在反应体系中加入EDTA后,吸附效率提高到63.36%,降解效率也随之提高到99.82%;添加IPA和BQ后,降解效率分别下降至93.12%以及70.16%,二者对罗丹明B的降解均有一定的抑制作用,这表明在光催化降解过程中起主要作用的活性物质是·O2-,起次要作用的是·OH。最后,通过这些自由基基团(·O2-或·OH)将染料罗丹明B氧化降解为小分子物质。(3)采用改进Hummers氧化法由天然石墨粉制得了氧化石墨,通过静电自组装吸附原理先将氧化石墨(GO)吸附在HGM表面,之后采用水热法将氧化石墨的还原与负载ZnIn2S4复合光催化剂的形成一步完成,制备出不同含量还原氧化石墨烯(RGO)的HGM/RGO/ZnIn2S4。通过SEM、XRD、UV-vis等系列表征探讨了HGM/RGO/ZnIn2S4催化剂的催化特性,结果表明:RGO的掺杂增强了HGM/ZnIn2S4对可见光的吸收和利用,提高了其光催化活性。通过太阳光模拟实验降解罗丹明B,揭示其活性规律的影响本质,最终确定RGO的最适掺杂量0.5%(wt%)。(4)以自制最优催化剂HGM/RGO/ZnIn2S4-0.5%光催化还原Cr(Ⅵ),研究了催化剂浓度、溶液pH及催化剂循环使用对光还原六价铬的影响,结果表明:随催化剂用量增加,Cr(Ⅵ)还原率急速上升后维持在高位;催化剂在酸性条件下还原Cr(Ⅵ)效率明显优于碱性条件下,且随着pH值增加,其氧化能力越弱;催化剂经三次循环后仍具有较高活性,改善了ZnIn2S4重复使用率低的问题。
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