二维层状NiO/g-C3N4复合材料在无铁光电类芬顿体系中有效去除环丙沙星的研究

摘要

环丙沙星(CIP)的过量使用已经对生态环境造成了很大的威胁.本文设计了一种新型无铁的光电类芬顿体系用于降解水中的CIP.采用溶剂热法合成了NiO/g-C3N4复合材料.通过XRD分析,确定了不同催化剂的晶相和化学组成;红外光谱进一步证实了NiO/g-C3N4复合材料的分子结构,结果表明,成功地合成了NiO/g-C3N4复合材料.利用SEM观察了材料的形貌,结果表明性能最佳的NiO/g-C3N4-60％为二维花状结构.TEM进一步证明NiO/g-C3N4-60％具有片层状结构.由于层状结构,NiO/g-C3N4-60％具有较大的比表面积和丰富的活性位点,有利于电子的传输.XPS分析表明Ni2+和Ni3+共存于NiO/g-C3N4-60％复合材料中并且NiO/g-C3N4-60％具有低配位氧缺陷.EPR谱也证实了氧空位的存在,氧空位不仅促进了H2O2的活化,而且有利于金属离子形成稳定的混合价态.UV-Vis-DRS、PL和电化学测试表明NiO/g-C3N4-60％具有最强的光吸收能力、最低的电荷转移电阻和最快的电荷分离效率,有利于活性物质的生成和CIP的快速降解.因此,花状NiO/g-C3N4-60％在光电类芬顿体系中表现出光电协同作用,不仅可以通过Ni3+/Ni2+之间的转化将电芬顿过程中产生的H2O2有效分解为·OH,同时也能够产生光生电子和空穴,促进光照下·OH、·O2-和h+的生成,从而提高环丙沙星的降解效率.以催化性能最佳的NiO/g-C3N4-60％为催化剂时,在90 min内CIP的降解率达到将近100％,120 min时矿化效率达到82.0％,与传统芬顿体系(最佳pH值为2.8-3.5)相比,新型光电类芬顿体系具有较宽的pH范围,当pH值为6时,降解率仍可达78.8％.NiO/g-C3N4-60％在光电类芬顿体系中也表现出良好的结构稳定性,连续5次循环后,降解效率仍保持在96.3％.根据HPLC-MS的结果,提出了CIP降解的两种可能途径.本研究为废水中抗生素的快速降解提供了理论依据.