半导体光催化技术具有低能耗和环境友好等优点, 在众多氮氧化物去除技术中具有较大的发展潜力。本研究在室温下成功制备了碳酸氧铋(Bi₂O₂CO₃, BOC)/聚吡咯(PPy)光催化剂, 并在可见光下对一氧化氮(NO)进行光催化氧化去除。可见光催化NO氧化性能测试结果表明, BOC复合PPy之后, 其NO去除率从9.4%提高到20.4%, 毒副产物NO₂的生成率从2%降到接近零。这是因为在BOC和PPy界面氢键作用下, 在BOC和PPy界面形成了氧空位。光电流和交流阻抗测试表明氧空位的形成改善了BOC光生载流子分离和迁移过程, 从而提高其光催化活性。此外, BOC/PPy光催化氧化NO机理分析表明, 氧空位促进O₂生成更多的•O₂ ^-, 进而与•OH共同作用, 提高BOC的NO氧化反应活性和安全性。

研究采用分子动力学模拟(Molecular dynamics simulation, MD)的方法, 以苯酚、α-萘酚和4-辛基酚为代表, 研究了酚类有机污染物(Phenolic Organic Pollutants, POPs)在氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)上单独和竞争吸附过程。通过自由能计算得到三种POPs在GO表面的吸附能分别为: 4-辛基酚(41.34 kJ/mol)>α-萘酚(33.23 kJ/mol)>苯酚(19.31 kJ/mol)。吸附过程中的主要作用力为POPs的疏水作用, 而分子团簇、范德华相互作用、静电相互作用以及氢键等在一定程度上增加了GO对POPs的吸附能力。在混合体系中, POPs之间存在明显的竞争吸附现象, 吸附过程包含了直接吸附和形成分子团簇的间接性吸附两个过程。本研究结果为含POPs水体的治理以及GO材料的设计和筛选提供了一定的理论依据。

乙烯是果蔬采摘后腐烂变质的主要因素, 如何减少或去除果蔬贮藏过程中释放的乙烯, 是果蔬保鲜领域亟待解决的问题。本工作采用溶胶-凝胶法制备了一系列金属泡沫镍网负载TiO₂/WO₃薄膜催化剂, 采用不同手段对样品进行表征分析, 并以此薄膜为催化剂, 考察紫外光下乙烯催化降解性能。结果表明: TiO₂/WO₃成功负载在泡沫镍网表面。TiO₂与WO₃复合后形成了异质结, 抑制了电子-空穴对的复合, 样品的禁带宽度减小, 吸光度增强, 光催化性能提升。TiO₂/WO₃在紫外光下展现出良好的光催化活性和光催化稳定性, 当WO₃占TiO₂质量百分数为6%时, 光催化活性最高, 光催化乙烯速率常数为0.0332 min ^-1, 是TiO₂的9.48倍, 但是过量的WO₃会成为电子-空穴的复合中心, 降低光催化活性。研究还对紫外光下泡沫镍网负载TiO₂/WO₃薄膜的光催化降解乙烯机理进行了探讨。

光催化氧化法能够高效去除水体中的持久性有机污染物, 在污水净化领域展现出广阔的应用前景。本研究分别以尿素和双氰胺为原料, 采用冷干辅助热聚合法制备了还原性氧化物石墨烯/氮化碳(RGO/g-C₃N₄)二元可见光催化剂, 并对样品的形貌结构和光学性能进行了分析表征。结果表明, 二维层状g-C₃N₄与RGO在异质结界面上紧密的结合在一起。同时以内分泌干扰物双酚A (BPA)为降解污染物, 研究了不同催化剂在可见光下活化过硫酸盐去除BPA的活性。光催化实验结果显示, 在可见光(λ>420 nm)照射下, 加入氧化剂过硫酸盐(PS)作为电子受体, 有效地增强了光催化剂可见光降解BPA的活性。以尿素为原料制备的RGO/g-C₃N₄催化剂在40 min内几乎完全去除溶液中的BPA。经过5次循环反应后, 可见光照射40 min, 该催化剂对BPA的去除率仍能达到80%以上, 表现出良好的稳定性。

为了克服单纯BiOCl光谱吸收范围窄和载流子复合几率高的缺点, 本研究制备了一种具有高效光催化活性的碳量子点(CQDs)/BiOCl纳米复合材料。光催化降解罗丹明B染料实验表明CQDs/BiOCl纳米复合材料的光催化性能远优于单纯的BiOCl, 其光催化性能约为后者的3.4倍。当CQDs的复合量为7.1wt%时, 样品的光催化性能最佳, 能够在2 min之内将罗丹明B完全脱色, 而单纯的BiOCl在相同时间内对罗丹明B的降解率仅为29.5%。通过紫外-可见漫反射谱、光电化学测试以及自由基捕获实验揭示了CQDs/BiOCl纳米复合材料的光催化性能提升机理, 结果表明CQDs可以拓展BiOCl的可见光吸收范围, 这有利于增强其光捕获能力以及促进电子-空穴对的产生。除此之外, CQDs独特的上转换发光行为, 以及光诱导的电子转移能力提升了CQDs/BiOCl纳米复合材料光催化性能。

实验采用廉价的牡蛎壳制备绿色、高效的生物源碳酸钙(bio-CaCO₃)吸附材料, 用于去除污水中的Pb(II)和甲基橙(MO)。通过扫描电子显微镜(SEM), 热重分析(TGA), X射线荧光光谱分析(XRF)等表征方法对材料形貌、组成、结构等进行了分析。采用宏观吸附行为和微观表征研究bio-CaCO₃对水体中Pb(II)和MO的吸附过程并阐明机理。研究发现, bio-CaCO₃对MO的去除效率约为45% (m_sorbent/V_solvent=0.2 g/L, [MO]_initial=60 mg/L), SEM分析结果表明bio-CaCO₃吸附MO后, 表面形貌发生了明显的变化。bio-CaCO₃对Pb(II)的饱和吸附量高达1775 mg/g (pH=5.0, T=298 K), 优于传统的皂土、活性炭等吸附材料。bio-CaCO₃吸附Pb(II)的主要吸附机理是CaCO₃+Pb(II)→PbCO₃, 该过程的ΔH ^θ=-7.64 kJ/mol, ΔS ^θ=-17.92 J/(mol·K), ΔG ^θ=-2.30 kJ/mol(pH=5.0, T=298 K), 吸附Pb(II)后产生大量形貌更加规则的四棱柱结构。研究表明实验制备的bio-CaCO₃对Pb(II)和MO均具有良好的吸附性能, 是一种环境友好型高效吸附剂。

高活性催化剂是挥发性有机化合物(VOCs)催化氧化消除的关键因素。本研究通过简单的共沉淀法成功制备了具有高比表面积的非晶介孔磷掺杂氧化钛负载铂催化剂(Pt/ATO-P)。通过P掺杂, 既可获得非晶介孔结构, 又可获得高ATO-P比表面积(可达278.9 m²·g^-1)。非晶介孔Pt/ATO-P催化剂显示出优异的VOCs催化氧化性能和良好的热稳定性。Pt/ATO-P样品在空速为36000 mL·h^-1·g^-1、甲苯浓度为10000 mL·m^-3的反应条件下, 对甲苯催化氧化的T₅₀和T₉₀(实现50%和90%转化率所需的温度)分别为130 ℃和140 ℃, 明显优于无磷催化剂Pt/TiO₂。这些发现可以为拓展非晶介孔磷化材料在环境净化和能源转化等领域的应用提供重要参考。

CdS因具有独特的光电化学性能而被广泛用于光催化研究, CdS与窄带隙半导体和有机物复合是重要的光催化研究方向。研究采用化学沉淀法制备了六元瓜环(Q[6])复合和Ag₂S掺杂的硫化镉光催化剂(Q[6]/CdS-Ag₂S), 通过不同手段对复合催化剂进行表征。实验以可见光为光源, 罗丹明B为模拟污染物, 考察了六元瓜环对CdS-Ag₂S光催化性能的影响。结果表明: 经Q[6]复合后的Q[6]/CdS-Ag₂S形貌为菜花状, 颗粒粒径变小。复合催化剂Q[6]/CdS-Ag₂S的催化性能明显优于CdS-Ag₂S, 光催化反应110 min, 15 mg复合催化剂对100 mL 6 mg/L罗丹明B溶液的催化降解效率达到92.4%。

作为一种窄带隙半导体材料, Bi₂WO₆在光催化降解有机污染物上具有很大的应用潜力。研究采用水热法合成了Bi₂WO₆纳米片, 并在可见光照射下研究其对四环素的光催化降解。利用XRD、FESEM、TEM、吸收光谱等对材料进行结构和形貌的表征。实验发现, 在pH=8的四环素溶液中加入50 mg Bi₂WO₆纳米片, 可见光照射130 min 后, 85%的四环素（50 mL, 50 mg/L）被降解。实验还研究了Bi₂WO₆纳米片光电化学性质, 通过加入不同的自由基捕获剂研究了光催化降解四环素的反应机理。结果表明, Bi₂WO₆纳米片具有较高的电子密度和电子空穴分离效率是其具有良好光催化性能的原因。