花状微球Znln2S4/碳量子点复合物用于光催化还原Cr(Ⅵ)

摘要

六价铬Cr(Ⅵ)是废水中常见的重金属污染物,广泛应用于电镀、皮革制造、金属表面处理、纺织制造等领域.传统的处理方法有吸附、超滤、反渗透和凝固等.但是,这些方法均具有一定的缺陷,比如膜污染、高功耗、高运行和维护成本.Cr(Ⅲ)有较低毒性且易在水溶液中沉淀形成Cr(OH)3,因此,将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)被认为是一种有效去除Cr(Ⅵ)的策略.近年来,半导体光催化技术广受关注,被用于去除有毒污染物、还原二氧化碳和分解水,并在光催化还原Cr(Ⅵ)领域取得一系列进展.但是,探索开发可见光响应的高效光催化剂仍是挑战.三元金属硫属元素化合物半导体具有独特的光电特性和催化活性,备受关注.尤其是窄带Znln2S4被认为是一种有潜力的可见光催化剂.但是,由于其较窄的光响应范围以及光生载流子短的寿命,使得它的催化活性很低.研究表明,控制形貌、掺杂贵金属和构筑异质结复合物能够提高Znln2S4的光催化活性.不幸的是,有关Znln2S4在光催化还原Cr(Ⅵ)中的应用还鲜有报道.本文通过构筑花状微球Znln2S4和碳量子点(CQDs)异质结,合成Znln2S4/CQDs复合物,获得高效光催化还原Cr(Ⅵ)活性的复合光催化剂.扫描电子显微镜和高分辨投射电子显微镜结果显示,Znln2S4/CQDs复合物是由花瓣自组装的花状微球结构,CQDs分散在Znln2S4花瓣上,形成很好的界面接触,有利于光催化过程的进行.紫外可见吸收光谱结果表明,Znln2S4/CQDs复合物在可见光区域展现了很好的吸收.随着CQDs含量的增加,Znln2S4/CQDs复合物的光吸收能力增加,有利于提高其催化活性.电化学阻抗谱、光电流响应曲线和原位电子顺磁共振谱结果表明,CQDs可以作为电子受体材料,促进光生载流子的转移,抑制其复合,从而延长光生载流子的寿命.通过光催化还原Cr(Ⅵ)的实验发现,与纯Znln2S4相比,Znln2S4/CQDs复合物具有增强的光催化活性,并且与CQDs的掺杂比例有关.在可见光照射40 min后,当CQDs的掺杂比例为0.5 wt％时,Znln2S4/CQDs复合物对Cr(Ⅵ)的还原率达到93％.Znln2S4/CQDs复合物优异的催化活性归因于其优异的光吸收,良好的界面电荷转移,和CQDs的下转换特性.另外,光催化还原Cr(Ⅵ)实验被循环3次后发现,Cr(Ⅵ)的还原率没有明显降低.同时,X射线衍射、扫描电子显微镜和光电子能谱结果表明,催化反应之后的Znln2S4/CQDs复合物的结构、形貌和组分均未发生变化,说明Znln2S4/CQDs复合物具有良好的稳定性.本工作以期为进一步设计具有理想功能的CQDs基复合材料提供有价值的信息.