《氮化碳基光催化膜的制备及其处理染料废水研究》

技术简介：

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)是一种以3s-三嗪环为基本结构单元的碳纳米材料,其独特的纳米孔道和层状结构使其成为制膜的理想材料之一。此外,与传统的TiO_2和ZnO等光催化材料相比,g-C_3N_4具有2.7eV的中等带隙和可见光响应等优势,这使它在有机污染物的光催化降解方面有着广泛的应用。然而在实际应用中,g-C_3N_4仍然存在比表面较小、光生电子-空穴对的复合速度快等缺陷,这会严重影响其光催化活性。因此,本文以g-C_3N_4为主体制膜材料,通过形貌调控、异质结构建等方式进行改性,制备了系列具有光催化性能的分离膜,并应用于亚甲基蓝(MB)、罗丹明B(RhB)等染料废水的去除研究。主要内容如下:首先,以Zn(NO_3)_2为锌源,通过在g-C_3N_4膜层中原位生长ZnO的方式,构筑了上层疏松、下层紧密的ZnO@g-C_3N_4复合膜。ZnO在膜表面的原位生长修补了g-C_3N_4膜层的缺陷裂缝,有利于膜的截留性能。此外,表面生长的ZnO@g-C_3N_4异质结构可以有效增强膜的光催化染料降解性能。研究表明,当ZnO的含量达到3.1wt%时,复合膜的分离性能达到最佳,在可见光的辅助下,对MB的去除率为94.4%,渗透通量为336.8L·m~(-2)·bar~(-1)·h~(-1),远高于纯g-C_3N_4膜对MB的去除性能(79.3%)。通过自由基捕获实验发现了光催化反应的主要活性物种为·O_2~-和h~+,结合光电性能表征与密度泛函理论(DFT)发现,复合膜性能提高的原因在于ZnO@g-C_3N_4之间的S型异质结结构的形成,不仅减少了光生载流子的重新结合,而且还保留了光生电子和空穴的氧化还原活性。其次,通过静电相互作用和真空辅助自组装工艺构筑了MoS_2/g-C_3N_4复合膜。研究表明,当MoS_2添加量为20%时,MoS_2/g-C_3N_4复合膜对染料的光催化降解效率最佳,在150min内,可去除95.9%的MB。远高于纯g-C_3N_4膜的去除效率(81.3%)。通过四级过滤研究了复合膜在可见光照射下的自清洁性能。MoS_2/g-C_3N_4复合膜在无光照的情况下对阳离子染料胭脂红和阴离子染料孔雀石绿的截留率分别为70.8%和66.7%。复合膜在被污染的情况下,通过可见光照射具有自清洁的性能。被污染的膜在经过1h的可见光照射后,通量恢复率可以达到74.9%。通过光电性能表征和DFT计算发现,MoS_2/g-C_3N_4复合膜在可见光下优异的自清洁性能源于MoS_2/g-C_3N_4异质结构的形成,可以增加光生电子-空穴对的寿命,扩宽了光响应范围,此外,两种纳米片的协同作用,使得异质结构具有更小的带隙能,促进了光生载流子的转移。最后,利用MXene(Ti_3C_2T_x)的片层结构,通过真空辅助自组装工艺制备了MXene/g-C_3N_4复合膜,再通过强碱条件下的氧化作用,在MXene/g-C_3N_4膜中原位生长TiO_2构筑了MXene@TiO_2/g-C_3N_4复合膜。研究表明,当MXene与g-C_3N_4纳米片的添加比例为1:4,碱液浸泡时间为2h时,MXene@TiO_2/g-C_3N_4复合膜的性能达到最佳,纯水通量达到577.3L·m~(-2)·h~(-1)·bar~(-1),是纯MXene膜的5倍(104.5L·m~(-2)·h~(-1)·bar~(-1)),在可见光照射下,复合膜对罗丹明B(RhB)的降解效率为80.7%,是纯MXene膜的4倍(19.4%)。复合膜优异的光催化活性主要是由于异质结的建立,有利于捕获光生载流子,抑制电荷重组,并促进光生电子-空穴对的有效分离。

研发人员：史烁