可见光驱动g-C3N4/NH2-MIL-101（Fe）活化PDS降解RhB

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0937

摘要/Abstract

摘要：

金属有机框架化合物（MOFs）具有孔隙率高、比表面积大和化学性质稳定等优点，作为催化材料具有良好的发展前景。通过溶剂热法成功合成了g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）复合光催化剂。采用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及X射线光电子能谱（XPS）对催化剂的结构和表面形貌进行分析，并研究其在可见光（Vis）照射下活化过二硫酸盐（PDS）降解水中罗丹明B（RhB）的效果及活化机制。结果显示：g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）晶体结构完整、表面粗糙，并呈现出规则的正八面体结构；在可见光照射下，光催化剂投加量为0.2 g/L、PDS投加量为8 mmol/L、初始pH为3、温度为30 ℃时，反应50 min，RhB的去除率达到99%；HCO₃ ^-、H₂PO₄ ^-、Cl^-等阴离子能与活性基团反应，明显抑制体系对RhB的去除；3次循环后，g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）/PDS/Vis对RhB的去除率仍达到90%以上，表明g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）具有良好的稳定性。自由基猝灭实验表明，催化降解RhB的主要活性物种为h⁺、·OH和SO₄ ^·-，其作用大小为h⁺>·OH>SO₄ ^·-。

关键词: 金属-有机框架化合物, 过二硫酸盐, 可见光光催化, 罗丹明B

Abstract:

Metal-organic frameworks（MOFs） have the advantages of high porosity，large specific surface area and stable chemical properties，so they have a good development prospect as a kind of catalytic materials. In this study，the g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe） composite photocatalyst was synthesized by the solvothermal method. The structure and surface morphology of the catalyst were analyzed by X-ray diffraction（XRD），scanning electron microscopy（SEM） and X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）. And then its effect and activation mechanism on degradation of Rhodamine B（RhB） by activated persulfate（PDS） when exposed to visible light（Vis） were studied. The results showed that，g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe） had complete crystal structure，rough surface and regular octahedral structure. Under irradiation of visible light and the conditions of photocatalyst 0.2 g/L，PDS 8 mmol/L，initial pH 3，temperature 30 ℃，when the reaction time was 50 min，the removal rate of RhB reached 99%. HCO₃ ^-，H₂PO₄ ^- and Cl^- could react with active groups and significantly inhibited the removal of RhB in this system. After three cycles，the removal rate of RhB by g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）/PDS/Vis was still up to 90%，which meant g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe） had great stability. In addition，a free radical quenching test showed that the main active species with catalytic degradation effect of RhB included h⁺，·OH and SO₄ ^·-，their action size was h⁺>·OH>SO₄ ^·-.

Key words: mental-organic frameworks, persulfate, visible-light photocatalysis, Rhodamine B

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I7/59

图/表 10

图1 溶剂热法制备g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）

Fig. 1 Preparation of g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe） by solvothermal method

图2 NH₂-MIL-101（Fe）和g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）的XRD

Fig. 2 XRD patterns of NH₂-MIL-101（Fe） and g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）

图3 NH₂-MIL-101（Fe）和g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）的SEM

Fig. 3 SEM of NH₂-MIL-101（Fe） and g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）

图4 NH₂-MIL-101（Fe）和g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）的XPS

Fig. 4 XPS spectra of NH₂-MIL-101（Fe） and g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）

图5 不同体系下RhB的去除效果

Fig. 5 Removal efficiency of RhB in different systems

图6 不同反应条件对催化剂催化性能的影响

Fig. 6 Effect of different reaction conditions on catalytic performance of g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）

图7 共存阴离子对g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）催化去除RhB的影响

Fig. 7 Effect of coexisting anions on the catalytic removal of RhB by g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）

图8 g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）的重复实验

Fig. 8 Cyclic test of g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）

图9 g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe）经3次循环实验后的XRD和SEM

Fig. 9 XRD spectrum and SEM morphology of g-C₃N₄/NH₂-MIL-101（Fe） after three cycles of test

图10 活性自由基分析及RhB去除机理

Fig. 10 Free radical analysis and RhB removal mechanism

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