聚丙烯酸/壳聚糖水凝胶中负载ZnO-Ti3C2TX用于光催化剂降解诺氟沙星
成果简介
水凝胶固载光催化剂是一种双赢的方案,既提高了光催化性能,又成功地防止了催化剂的流失,使其在催化过程中易于分离和重复使用。其中壳聚糖基复合水凝胶具有丰富的官能团和致密的孔隙结构,有利于抗生素的富集和光催化降解。本研究以Ti3C2TX为ZnO NPs载体,采用静电吸附法制备了ZnO-Ti3C2TX (Z-T)复合材料。将Z-T与PAA-CS水凝胶结合,制备了Z-T/PAA-CS催化剂,并将其用于NOF的光催化降解。PAA-CS水凝胶网络中丰富的羧基(-COOH、-NH2和-OH)可以与Ti3C2TX上丰富的官能团形成氢键和静电相互作用,减少Ti3C2TX的堆积,实现抗生素的快速富集。通过设计了不同催化剂配比、投加量、初始浓度和pH值对研究降解效果的影响。结果表明,ZnO-Ti3C2TX/PAA-CS (Z-T/PAA-CS)复合水凝胶的光降解速率常数为0.012 min−1,在240分钟内降解效率达到90%。经过6次循环后,降解效率保持在85%以上。同时研究了活性物质对降解效率的影响,并对e−和h+的转移途径以及⋅O-2和-OH的产生进行了假设。本研究为制备可回收、高效、稳定的光催化剂提供了有效的策略,为绿色、可持续的环保理念提供了新的思路。
全文导读
图1. (a)Z-T/PAA-CS的合成示意图。SEM图像:(b)Ti3AlC2,(c)Ti3C2TX层和(d)Z-T复合材料。(e)Z-T复合材料的标测。纯PAA-CS(f)和Z-T/PAA-CS水凝胶(g)的SEM图像。
图2. 原材料(a)和所得Z-T/PAA-CS水凝胶(b)的FTIR光谱。(c)PAA-CS水凝胶的形成机理及相互作用。
图3.(a)Z1-T1复合材料的XRD图。(b)XPS测量不同材料光谱。纯ZnO(c)和Z1-T1/PAA-CS(d)的Zn 2p XPS谱。Ti3C2TX(e)和Z1-T1/PAA-CS(f)层的Ti 2p XPS谱。Ti3C2TX(g)和Z-T/PAA-CS(h)的C 1s XPS谱。(i)Z1-T1/PAA-CS的O 1s光谱。
图4. (a)水凝胶催化剂的吸附性能。(b)不同催化剂对NOF的实时降解。(c)总降解效率。(d)不同剂量Z1-T1/PAA-CS的降解速率。(e)降解速率常数。
图5. (a)不同NOF浓度下的总降解效率。(b)不同pH值下的实时降解过程。(c)不同pH值下的总降解效率。(d)H2PO- 4、Cl-、NO- 3、SO2 -4和混合离子对降解过程的影响。(e)不同离子环境下的总降解效率。
图6. (a)Z1-T1/PAA-CS的循环使用实验。(b)再循环实验中的降解效率。 (c)回收催化剂的FTIR光谱。(d)回收催化剂和原始样品的XRD光谱(插入图)。原始样品(e)和回收的催化剂(f)的SEM图像。
图7. (a)对h+、·OH、·O- 2和e-的清除研究以及相应的降解效率。(b)自由基产生示意图。(c)ZnO和Z1-T1的UV-Vis DRS光谱。(d)能带改变。
总结
综上所述,证明了光催化Z-T复合材料可以有效地固定在PAA-CS水凝胶网络中,从而实现对NOF的高效光降解。值得注意的是,CS和PAA形成的水凝胶网络富含-NH2、-OH和-COOH,不仅在Z-T上与-F、-OH和金属建立了氢键,还通过静电相互作用和螯合作用稳定和分散了Z-T。Z-T/PAA-CS复合水凝胶对NOF的光催化降解效率达到90%,降解速率常数为0.012min−1。此外,Z-T/ PAA-CS具有良好的可重复使用性和稳定性,经过6次循环后,光降解效率保持在85%以上。自由基屏蔽实验表明,e−是NOF变质的主要活性物质。本研究为制备高效、稳定、可回收、环保的水凝胶光催化剂处理含抗生素废水提供了新的前景。
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