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江苏科技大学施伟龙/郭峰Molecules:g-C3N4基光催化自芬体系降解新兴污染物的研究进展与展望

时间:2023-10-09 来源: 浏览:

江苏科技大学施伟龙/郭峰Molecules:g-C3N4基光催化自芬体系降解新兴污染物的研究进展与展望

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第一作者: 陈周泽(江苏科技大学 硕士生)
通讯作者: 施伟龙,郭峰(江苏科技大学 副教授)
通讯单位 江苏科技大学
论文DOI 10.3390/molecules28155916
全文速览

工业过程中新出现的污染物的排放对生态环境和人类健康构成了严重的威胁。光催化自芬顿技术结合了光催化和芬顿氧化技术的优点,通过原位生成过氧化氢( H 2 O 2 )和与铁( Fe )离子的相互作用,生成大量的强活性氧( ROS ),有效地降解环境中的污染物。氮化碳( g-C 3 N 4 )因其优良的化学 / 热稳定性、独特的电子结构、易于制造和中等带隙( 2.70 eV )而被认为是最潜在的光催化氧还原反应( ORR )光催化剂。因此,本文简要介绍了光催化自芬顿的优点及其降解机制。此外,还对 g-C 3 N 4 基光催化自芬顿体系的修饰策略及其在环境修复中的应用进行了详细的讨论和总结。最后,介绍了 g-C 3 N 4 基光催化自芬顿体系的发展前景和挑战

背景介绍

20 世纪中叶以来,工业化的快速发展伴随着环境问题的日益严重,有毒物质的不断释放导致了越来越多的新兴污染物(如抗生素、染料等)在地表水中被发现,从而导致严重的环境污染问题。越来越多的污染物,如工业染料、抗生素和农药,在环境中以极低的浓度广泛存在,难以生物降解,因此有效去除这些有毒物种与人类和生物健康以及可持续繁殖息息相关

为了应对这些问题,科学家们开发了一系列的水污染处理方法,如吸附、絮凝、光降解、水裂解和高级氧化过程( AOPs )。其中, AOPs 由于其氧化能力强,且在氧化过程中没有选择性,被认为是解决水污染问题的最具潜力的绿色处理工艺,这引起了研究者的广泛关注。然而,传统的光催化降解技术依赖于半导体催化剂在光照下产生的活性物质辐照导致反应速率慢,反应适用性有限,光依赖性高,从而影响其降解性能。值得注意的是,光芬顿技术被认为是一个最具成本效益的 AOPs 由于其性质可以使足够的亚铁离子( Fe 2+ )激活过氧化氢(过氧化氢)反应生成具有强氧化能力的羟基自由基( · OH )并充分降解有机污染物最终矿化成无害的小分子( CO 2 H 2 O 等),因此,在环境修复和废物处理等领域具有重要的应用潜力。然而,由于以下缺陷,单一的 Fenton 技术极大地限制了其在降解有机污染物领域的应用: (i) 需要添加大量过氧化氢,导致加工成本高;( ii Fe 3+ /Fe 2+ 还原动力学较慢,阻碍了反应效率使有机污染物未能充分矿化。从可持续发展的角度来看,光催化自芬顿系统可以将光催化与芬顿氧化技术有机结合,不仅可以解决传统芬顿技术中添加额外过氧化氢的风险问题,还可以加速 Fe 2+ /Fe 3+ 循环,从而提高新兴污染物的去除效率。光催化自芬顿技术主要是利用阳光,使光催化剂通过光催化氧还原反应( ORR )原位生成过氧化氢( H 2 O 2 ),通过与 Fe 2+ 连锁反应促进多相自芬顿反应的发生,产生强氧化自由基活性物质(如 OH O 2 1 O 2 ),从而降解和矿化水环境中的有机污染物,形成环境友好型物种。

近年来,研究人员不懈努力开发了一系列高效生产 H 2 O 2 的光催化材料,如 TiO 2 CdS 、石墨氮化碳( g-C 3 N 4 )和三嗪共价有机骨架( CTF )等无机半导体。其中, g-C 3 N 4 作为一种新型有机半导体材料,由于其独特的三聚氰胺( melam )结构,有利于 O 2 分子通过双电子路径还原为 H 2 O 2 ,是一种潜在的 ORR 光催化剂。此外, g-C 3 N 4 具有稳定性高、制备简便、成本低、无毒等优点在光催化领域引起了广泛关注。

研究出发点

现有的综述尚未提供基于 g-C 3 N 4 的光催化自芬顿系统的完整和详细的概述。因此,本文综述了 g-C 3 N 4 基光催化自芬顿体系的研究进展。在以下章节 中,我们将从光催化自芬顿反应机理入手,全面总结 g-C 3 N 4 基光催化自芬顿技术高效降解新兴污染物的改性方法,包括异质 结、元素掺杂、形貌调控、缺陷工程等改性方法。最后,从高效、绿色、安全的角度讨论了光催化自芬顿体系的前景和挑战

图文导读

1. 简要阐述了 g-C 3 N 4 基光催化自芬顿体系的改性策略

2 :光催化自 Fenton 系统降解新兴污染物的机理示意图
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小结

在现有文献的基础上,综述了基于g-C 3 N 4 的光催化自芬顿体系的实际应用,并详细讨论了光催化自芬顿降解新兴污染物的机理和影响降解活性的关键因素。此外,针对g-C 3 N 4 基光催化剂固有的光吸收利用率低、活性位少、光生电子-空穴复合等缺陷,详细讨论了提高光催化自芬顿降解性能的不同修饰策略,包括形态调制、异质结构建、缺陷工程和元素掺杂策略。虽然现有的基于g-C 3 N 4 的光催化自芬顿体系的研究已经取得了相当大的进展,但从添加附加铁离子的角度来看,反应体系的pH适用范围较窄(pH≤3),反应后Fe 3+ 难以分离和回收,无法满足高效、绿色、安全的深度处理技术应用于环境中新兴污染物降解矿化的实际需要。为了更好地提高光催化自芬顿体系的活性,提出以下几点见解和展望:

(1)在光催化自芬顿过程中,催化剂与光催化相中Fe 2+ 相互作用生成H 2 O 2 ,通过原位活化生成•OH等活性物质,促进Fe 2+ /Fe 3+ 循环,有效降解污染物。然而,大多数自芬顿体系存在金属浸出或团聚、反应后Fe 3+ 难以分离回收等问题,导致材料利用率低,污染环境,因此设计和合成环境稳定的催化剂非常重要。通过构建金属原子分散体来阻碍铁原子的浸出,合理使用铁材料,如在体系中加入尖晶石铁氧体材料与催化剂形成异质结,可有效避免二次污染。因此,制备易合成、稳定、易分离、防止金属离子浸出的催化剂对提高光催化自芬顿体系的性能具有重要作用。

(2)光催化自芬顿作为一种光催化体系,基于光催化的三个基本过程,其光生载流子分离迁移效率和光响应范围影响其活性。目前基于g-C 3 N 4 的光催化剂大多局限于可见光区域,占太阳光谱50%的近红外光没有得到有效利用,导致催化剂的整体光利用率较低。虽然与半导体耦合和杂原子掺杂可以通过调节带隙来提高光吸收,但受半导体固有特性的限制,光吸收范围的提高是有限的。因此,与含有Ag、Cu等金属元素的近红外响应材料结合,产生局部等离子体共振效应或上转换过程,是实现广谱光响应范围的良好策略。

(3)除了催化剂本身的性质外,反应体系的pH、反应溶剂等外界因素对催化剂的活性也有显著的影响。传统的芬顿和类芬顿反应体系主要在酸性条件下通过H 2 O 2 和Fe 2+ 生成羟基等活性物质,这限制了催化剂的应用范围,因此设计和合成具有宽pH响应的催化剂非常重要。可以通过形成铁配合物或使用具有宽pH范围的芬顿体系等策略,制备光催化自芬顿体系,从而实现对污染物的高效降解。

(4)牺牲剂在光催化自芬顿体系中起着重要的作用,它们作为电子受体或给体,捕获光生电子或空穴,提高光生载流子的分离效率。然而,牺牲剂的广泛使用缺乏经济效益,因此可以通过添加一些非牺牲剂的功能性小分子来改善反应性能。例如,在反应体系中加入乙二胺四乙酸(EDTA),EDTA中富电子的羧基与O 2 形成氢键,增加了O 2 分子的电子密度和键长,有利于O 2 活化,显著提高了反应体系的H 2 O 2 产率。此外,将草酸、糠醇等功能小分子应用于光催化制H 2 O 2 体系中,H 2 O 2 产率显著提高。因此,如何有效利用功能分子与催化剂之间的协同作用,提高H 2 O 2 产率,从而促进后续的Fenton反应,实现污染物的高效降解,是一个值得探索的方向。

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作者简介

施伟龙 ,华中科技大学博士,郑州大学博士后,现任江苏科技大学副教授,硕士生导师,中国感光学会光催化专业委员会会员,江苏省复合材料学会会员,江苏省环境科学学会会员,江苏省材料学会会员。主要从事碳基(碳点、氮化碳)复合光催化材料的设计、构筑以及光催化性能(降解、分解水制氢及防腐)等方面的研究工作。相关工作发表在Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Inter., J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Technol., Inorg. Chem. Front., J. Mater. Chem. B., Appl. Surf. Sci., J. Alloy Compd.等高水平杂志。截止目前,共计以第一作者或通讯作者发表100篇SCI收录论文,其中一区SCI论文47篇(影响因子≥10的18篇),二区论文27篇,ESI高被引论文40篇,ESI热点论文16篇,1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文,引用6800余次,H-index 52。荣获国际复合材料“最佳研究者”奖,受理发明专利2项。入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单(World’s Top 2% Scientists 2022),现主持国家自然科学基金青年、江苏省“双创博士”、“科技副总”人才项目、河南省博士后科研项目启动资助、河北省水资源可持续利用与开发实验室开发基金、江苏省产学研项目、校级深蓝杰出人才等10余项。此外,担任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》客座主编、《Photocatalysis and Photochemistry》青年编委以及《Applied Catalysis B: Environmental》、《ACS Catalysis》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际Top期刊审稿人
郭峰 ,民盟盟员,现任江苏科技大学副教授,硕士生导师,新能源系专业负责人,中国感光学会光催化专业委员会会员,江苏省环境科学学会会员, 新加坡维泽专家库(VE)材料科学专家委员会会员。长安大学市政工程专业博士毕业,获工学博士学位。主要从事g-C 3 N 4 基复合光催化材料的设计、构筑以及光催化性能等方面的研究工作。主持国家自然科学基金项目,江苏省青年基金项目,江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师人才项目,校级深蓝杰出人才项目, 河北省水资源可持续利用与开发实验室开发基金,江苏省产学研项目等10余项。近年来,共计以第一作者或通讯作者发表94篇SCI收录论文,其中一区SCI论文46篇(影响因子≥10的15篇),二区论文18篇,ESI高被引论文35篇,ESI热点论文9篇,1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文,荣获国际学术奖“最佳研究者”奖,引用6300余次,H-index 50,国家授权发明专利3项。入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单(World’s Top 2% Scientists 2022)、江苏省“科技副总”、镇江市“出彩教育人”、校“优秀教师”、本创“优秀指导教师”、省级竞赛“优秀指导教师”等称号,相关工作发表在《Applied Catalysis B: Environmental》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and compounds》、《Separation and Purification Technology》等高水平杂志。此外,担任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》客座主编以及《Journal of Hazardous Materials》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际期刊审稿人
陈周泽 ,江苏科技大学环境与化学工程学院硕士研究生, 国际科学,健康和工程研究最佳研究员。 主要从事能源光催化 (光热辅助光催化),环境光催化等领域的研究,以第一作者和共同作者在著名国际期刊 Chem. Eng. J., J. Colloid Interf. Sci., J. Environ. Chem. Eng., J. Molecules, Mater. Today Commun., Ceram. Int., Catalysts 上共发表SCI论文14篇。此外,荣获 “兆易创新杯”第十八届中国研究生电子设计竞赛华东赛区三等奖,江苏省研究生“先进生物与绿色环保技术”创新实践大赛三等奖,江苏省研究生“化学工程与技术”学术创新论坛学术三等奖等一系列荣誉

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