协同催化作用增强的生物炭催化剂同时去除水中四环素和六价铬

文章亮点

01

合成的生物炭催化剂增强了吸附和光催化活性

02

生物炭催化剂可同步去除水中91%的TC和79%的Cr(VI)

03

协同催化作用在复合体系中促进了两种污染物的去除

文章概要

近年来，研究表明光催化技术结合异质结可以克服光利用率低，光生载流子易重组的缺点，在去除水体污染物展现应用潜力，但仍存在易团聚、成本高的挑战，实际大规模适用性受到限制。而生物炭因其优异的物理化学性质有望成为光催化剂半导体组件的一种有前途的替代品，以降低环境风险。但生物炭的引入对异质结的光电特性以及污染物去除性能的影响却很少被研究。大量的研究往往只关注单一的污染物系统，而光催化去除复合污染系统中的污染物的研究很少。

本研究通过简单的溶胶-凝胶和煅烧方法，成功制备了Fe₃O₄@SiO₂/TiO₂/g-C₃N₄@biochar复合材料(FSBTG) 用以光催化氧化四环素(TC)和去除六价铬Cr(VI)。探索生物炭对磁性半导体异质结的吸附和光电化学性质的影响作用和机制，分析FSBTG合成条件和组分对其结构和性质的影响，评估FSBTG对有机污染物TC的吸附和光催化氧化性能和水环境因子对该去除行为的影响；考虑到自然水环境是多种污染物构成的复合污染体系，评估FSBTG在重金属和有机物复合污染体系中的吸附和氧化还原性能，探索该复合污染体系中可能存在的污染物协同去除作用，阐明TC和Cr(VI)的光催化机理和降解途径；此外，作为一种磁性可回收催化剂，评估其循环使用性能。

图1 g-C₃N₄(a), FSBT(b)和FSBTG (c, d)的SEM形貌图; FSBTG的SEM-EDS面扫区域与元素分布(e, f); FSBTG的C(g), N(h), O(i), Si(j), Ti(k)和Fe(l)元素的EDS映射图；FSBTG的TEM (m)和HRTEM(n)形貌图SAED衍射图(o)

图2 FSBTG-450 (a, c, e)和FSBTS-300 (b, d, f)光催化剂的UV–vis光谱，在复合污染体系中同步光催化TC与去除Cr(VI) 和重复使用实验

图3 FSBTG去除TC和Cr(VI)的可能机理

结论

01

合成的生物炭催化剂对高浓度四环素的去除效果优异

02

生物炭和磁性纳米颗粒的引入可以改善可见光响应、电荷转移和光生载流子的分离

03

除PO₄^3-有显著抑制作用，其他阴离子与pH对去除率无明显影响

04

异质结增强了h⁺ 和e^-的分离，•OH和•O₂^-被认为是降解TC和去除Cr(VI)的主要反应种

05

由于协同光催化作用，Cr(VI)在复合污染体系中的去除率显著提高

作者简介

张玉虎(通讯作者)

首都师范大学 资源环境与旅游学院

教授，博士生导师。主要从事水土环境修复技术、环境系统分析、应对气候变化等方面教学与研究工作。主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划课题、科技创新方法专项、北京市、生态环境部等科技项目20余项。发表学术论文130余篇，合著著作/教材8部，授权发明专利6件，软件著作权4件。获省部级政府奖及行业协会奖励4项。

蒲晓(通讯作者)

首都师范大学 资源环境与旅游学院

副教授，硕士生导师。主要从事区域环境管理、水土环境污染过程、环境风险分析等方面教学与研究工作。主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划子课题、北京市自然科学基金项目、生态环境部等科技项目10余项。发表学术论文50余篇，合著著作/教材3部，授权发明专利2件，获省部级学术奖励2项。

杨博文(第一作者)

首都师范大学 资源环境与旅游学院

硕士研究生，研究方向为生物炭功能材料应用水污染治理，以第一作者在BIOCHAR上发表论文2篇。

向环材有料投稿，即可在文献电子书直达群享受免费文章查重以及校对服务！

微信加群：

环材有料为广大环境材料开发研究领域的专家学者、研发人员提供信息交流分享平台，我们组建了环境材料热点领域的专业交流群，欢迎广大学者和硕博学生加入。

进群方式：扫下方二维码添加小编为好友，邀请入群。请备注：名字-单位-研究方向。

扫二维码添加小编微信，邀请入群，获得更多资讯