Journal of Hazardous Materials：Ag-AgVO3/g-C3N4復合型光催化劑的制備及其抗生素的降解特性

摘要

本項研究了釩酸銀(AgVO₃)，類石墨氮化碳(g-C₃N₄)及其復合材料在可見光催化下對四環素的降解作用。通過X射線衍射（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）研究了它們的結構和形態，使用GC-MS分析了它們的降解中間產物。采用水熱法合成了納米級釩酸銀，，結果表明，通過加入紡絲氮化碳可以減小納米棒得間隙，而且復合材料的光催化性能更強于單一的材料。Ag-AgVO₃/g-C₃N₄的反應速率常數是0.0298 min^?1，分別是g-C₃N₄ (K=0.0125 min^-1)的2.4倍和AgVO₃ (K=0.0152 min^-1)的2倍。在120分鐘時，復合材料的降解率達到83.6％。利用GC-M（氣相色譜―質譜法）技術證實了四環素的降解，并提出了一種可能的降解方法。

釩酸銀復合材料g-C₃N₄的性能及其降解對抗生素的影響

介紹

環境中殘留的抗生素主要來自于抗生素企業生產過程中流失的抗生素藥物，醫院丟棄的抗生素廢物，人類和動物排放的糞便和尿液等。目前濫用抗生素造成的危害情況如下：1）對病原體微生物對抗生素的耐藥性作用增強，這已經嚴重損害生態平衡和人體健康。2）抗生素在生態環境中的長期積累具有致畸性和致癌性。3）與金屬離子絡合產生毒性作用。

光催化技術只需要光照射來激發半導體光催化材料從而驅動一系列重要的化學反應，這是一種節能，綠色，高效的環保技術。光催化氧化技術具有直接使用太陽能作為光源以驅動反應且無二次污染的獨特性能，并且對有機污染物的處理具有反應溫和，反應速度快，礦化率高等優點。所以半導體光催化氧化技術被認為是最有前途的環保高科技之一。

作為在世界范圍內生產和使用的第二大類抗生素，四環素類抗生素被廣泛用于制藥工業，畜牧業和水產養殖等行業。研究表明，30％–90％的四環素不能被動物吸收，它們會以原型或母體化合物的形式排出體外。四環素的大量排放及其難以降解，會影響生態系統的平衡發展和人類健康，甚至對人類的生存和健康造成極大的危害。因此，在這項研究中四環素將被用作抗生素的代表。

性能優良的半導體光催化劑應具有合適的能帶結構、良好的分離性能和較長的光能載體壽命，同時具有良好的光能吸收性能，穩定性好、無毒、無二次污染、成本低等優點。目前，石墨類碳氮化物(g-C₃N₄)被認為是一種潛在的光催化劑，在許多光催化劑中表現突出。

g-C₃N₄是一種主要由七嗪(C₆N₇)結構形成的可見光響應的淡黃色粉末聚合物。作為一種非金屬有機高分子半導體材料，具有良好的導電性能。近年來，g-C₃N₄因其具有熱穩定性高、化學穩定性好、適應大范圍PH值(1-14)變化、無金屬、低成本、無毒、環境友好等優點而成為研究熱點。因此，本研究基于類石墨氮化碳。納米結構可分為0維納米晶體或塊狀材料、一維納米棒、納米線、二維納米片、三維納米球、納米花等。

XRD圖譜

(1)Ag-AgVO₃,(2) Ag-AgVO₃/g-C₃N₄

XPS圖譜

A)全光譜, (B) C1s, (C)N1s, (D)Ag3d, €V2p, (Ag3d), (F)O1s

Ag-AgVO₃ / g-C₃N₄形成的圖解說明

雖然g-C₃N₄是一種理想的半導體光催化劑，但其缺陷仍然存在。為了解決這一問題，研究人員嘗試了各種方法。其中，具有代表性的方法有:增加g-C₃N₄的比表面積、貴金屬析出、非金屬摻雜、能帶調節、半導體復合材料等。從理論上講，半導體復合產生的“異質結”與單一催化劑相比有很多優點。將g-C₃N₄與窄禁帶金屬氧化物、硫化物、釩酸鹽、鹵化物、鹵素氧化物相結合，制備了一系列高活性異質結復合可見光催化劑。釩酸銀在可見光照射下具有窄帶隙和良好的結晶性能，是一種有效的催化劑。因此，研究釩酸銀復合的料g-C₃N₄的光催化性能及其對抗生素的降解作用具有重的價值。

在這項研究中，采用水熱法合成了棒狀釩酸銀。以廉價的氮化碳為原料，獲得具有高光催化活性的光催化劑。操作的方法簡單，方便，穩定性高，安全可靠，具有很強的應用前景。該產品優勢如下：1）合成方法簡單，穩定且易于合成。2）水熱合成的穩定的形態有利于工業應用。3）復合材料的降解能力優于單一材料，并且復合材料120分鐘的降解比率高達83.6％。4）該復合材料穩定性高，且可以重復利用。5)該復合材料符合一級動力學反應，反應速率常數可高達0.0298min^-1。

結論

Ag-AgVO₃的掃描電鏡照片(A–C) and Ag-AgVO₃的透射電鏡照片(D–F)

Ag-AgVO₃/g-C₃N₄掃描電鏡照片(A–C) and透射電鏡照片?(D–F)

采用水熱法合成了一種新型Ag-AgVO₃/g-C₃N₄表面等離子體復合光催化劑，一維納米棒Ag-AgVO₃均勻分散在二維g-C₃N₄納米片表面。通過催化降解在可見光下的抗生素，可見Ag-AgVO₃/g-C₃N₄的催化效果和降解速率明顯優于g-C₃N₄和Ag-AgVO，其降解速率高達83.6%。優良的光催化降解性能主要歸因于光生載流子的光吸收能力、吸附能力和有效分離效率的提高。經過幾個周期循環后，催化劑的催化效果沒有明顯下降，證明該材料具有一定的穩定性。

文章鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.03.090

本文由李澤勝課題組供稿。

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