石墨相氮化碳基复合材料的制备及其降解水中抗生素的性能研究

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1、分类号:X510710-2015029006博士学位论文石墨相氮化碳基复合材料的制备及其降解水中抗生素的性能研究郭峰导师姓名职称关卫省教授联合培养导师康振辉教授联合培养学校苏州大学申请学位级别工学博士学科专业名称市政工程论文提交日期2018年4月16日论文答辩日期2018年6月8日学位授予单位长安大学SynthesisofGraphiticCarbonNitride-basedCompositesandStudyonTheirPhotocatalyticActivityfortheDegradationofAntibioticinaqueoussolutionA

2、DissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：FengGuoSupervisor：Prof.WeishengGuanProf.ZhenhuiKangChang’anUniversity，Xi’an，China摘要抗生素的使用不仅能够治疗或预防人类的疾病，同时也可以促进动植物的生长。但近些年来，由于临床医疗及现代养殖业对抗生素的极度依赖，导致抗生素滥用现象日益加重。过度使用抗生素会对人和牲畜的器官造成损害，还能诱导生物体内产生细菌耐药性。此外，被摄入到人或动物体内的大部分抗生素会以原形或代谢物的方式排出体外，

3、进入到各种水体中，因此水环境也受到严重的污染；同时，水中的抗生素经生态循环会再次进入到人体，这也严重威胁到人类的健康。因此，如何通过简单、高效的方法去除水环境中抗生素已成为当前研究者们关注的焦点。绿色环保的光催化技术具有多种优势，如高反应活性、操作简单、无污染且可充分利用太阳能，被普遍认为是解决当今水环境污染问题最有前途的技术之一。在众多光催化剂中，石墨相氮化碳（graphiticcarbonnitride，g-C3N4）以其独特的优点而备受学者们的青睐。由于g-C3N4是一种由“碳”和“氮”两种元素组成的非金属有机聚合物半导体，所以，合成g-C3N4的原材料具

4、有来源较广、成本低、无毒无害等特点。此外，g-C3N4拥有适中的禁带宽度（~2.7eV），良好的热稳定性和化学稳定性，也被视作一种极具潜力的可见光响应型光催化材料。然而，其可见光利用率低以及光生载流子复合率过高致使g-C3N4在光催化领域的应用受到极大的限制。为了解决以上问题，本文设计并制备了五种不同类型的g-C3N4基异质结光催化剂（TypeII型g-C3N4/ZnIn2S4、p-n型CuBi2O4/g-C3N4、“互补式”p-n型CoO/g-C3N4、Z-scheme型CuInS2/g-C3N4及三元CDs/g-C3N4/ZnO），并通过多种表征方法（X射线

5、粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、能谱等）对所合成的异质结光催化剂的晶相、结构、形貌和元素组成等进行详细地分析。以四环素（Tetracycline，TC）作为目标抗生素污染物，在可见光的照射下，利用所合成的g-C3N4基异质结光催化剂对其进行降解，以考察光催化性能。同时，基于捕获实验中确定的反应活性物质，探讨了不同类型g-C3N4基异质结光催化剂的反应机理。本论文的主要研究内容与结果如下：(1)通过水热法制备g-C3N4包裹的ZnIn2S4微米球，形成g-C3N4/ZnIn2S4异质结复合光催化剂。光催化降解实验结果表

6、明，g-C3N4/ZnIn2S4复合光催化剂的性能明显优于纯相g-C3N4和ZnIn2S4，其降解TC的反应速率常数分别为g-C3N4和ZnIn2S4的39倍和i22倍。g-C3N4/ZnIn2S4光催化性能提高的原因主要可归因于g-C3N4和ZnIn2S4之间形成了能带匹配的TypeII型异质结构，促进了光生电荷的分离效率。(2)分别利用热聚合法和水热法制备纯相n型g-C3N4和p型CuBi2O4。以g-C3N4和CuBi2O4为原料，将两种样品按照不同比例机械混合后，再利用甲醇分散，最后通过煅烧得到层状g-C3N4上负载CuBi2O4微米棒的复合材料，即形成

7、了不同CuBi2O4质量比的CuBi2O4/g-C3N4p-n型异质结光催化剂。TC降解实验表明，p-n型异质结的形成极大地提高了g-C3N4的光催化降解效率。光催化性能提高的原因归因于CuBi2O4的引入可促进g-C3N4在可见光区的响应范围，同时在该复合体系中，p-n结区内在电场的建立加速了光生电子与空穴的分离效率。(3)利用简单的溶剂热法，以g-C3N4和Co(CH3COO)2·4H2O为原材料，制备CoO纳米粒子分散在g-C3N4表面上的CoO/g-C3N4p-n型异质结光催化剂。将TC作为目标降解物，降解实验结果表明：相比于纯相g-C3N4和CoO，C

8、oO/g-C3N4复合材