湖南大学蒋龙波团队AFM：氧空位和碳掺杂共修饰TiO2/O-Ti3C2的制备及其光催化降解盐酸四环素性能研究
湖南大学蒋龙波团队AFM：氧空位和碳掺杂共修饰TiO2/O-Ti3C2的制备及其光催化降解盐酸四环素性能研究
Aopsfrontier
不限于分享高级氧化技术前沿科学知识。
以下文章来源于环材有料 ，作者蒋龙波团队
寓精于料，料要成材，材要成器，器要有用！
第一作者：周绍宇
通讯作者：蒋龙波，李辉，卜元卿
通讯单位：湖南大学环境科学与工程学院；
湖南省林业科学院；
国家环境保护农药环境评价与污染控制重点实验室
论文DOI：10.1002/adfm.202307702
研究背景
四环素类抗生素广泛应用于水产养殖和畜牧业中，然而其大量使用可能会诱导产生抗生素耐药细菌及抗生素抗性基因，同时传统的废水处理方法不能完全去除四环素，导致其在生态系统中残留。从长远来看，四环素最终对人类健康和环境构成巨大威胁。因此，需要开发有效的去除技术以最大限度地减少其生态风险。光催化技术能够利用清洁、可再生 的 太阳能来高效降解污染物。其中，二氧化钛（ Ti O 2 ）基催化剂作为 紫外光催化领域的 经典催化剂 ， 广泛应用于紫外光催化降解污染物。然而， T i O 2 的能带宽度限制其对可见光的吸收利用，同时光生电子和空穴的快速复合导致其较低的光催化效率 。 阳光中紫外光、可见光、近红外光分别占比 5% 、 43% 和 5 2% ，因此合理设计具有可见光吸收和高效电荷分离的 T i O 2 基光催化剂是高效利用太阳能及提高其催化性能的关键。近年来， Ti 3 C 2 T x 衍生 T i O 2 基材料因同时具有可见光吸收及有效的电荷分离能力受到广泛关注。然而，该衍生材料组分复杂，各组分对光催化效果的作用仍然存在争议。
内容简介
通过对 Ti 3 C 2 T x 进行 不同浓度 K OH 溶液处理，且在不同气氛（ N 2 、 CO 2 和空气）下焙烧制备 Ti 3 C 2 T x /Ti O 2 催化剂，结合一系列表征技术，对复合物中氧空位、 Ti 3+ 、碳物种和 Ti 3 C 2 T x 在光催化反应中的贡献及其协同效应进行探讨。此外，密度泛函理论计算也为 O - Ti 3 C 2 作为有效电子接收体提供了有力证据。同时，对 Ti 3 C 2 T x 衍生 Ti O 2 基催化剂在可见光下催化降解盐酸四环素（ T CH ）性能进行研究，在该体系进行捕获和鉴别实验以探究不同活性物种的作用。本文还进行了溶液初始 p H 、共存阴离子、腐植酸对催化剂降解性能的影响研究，分析了催化剂在实际水体中的应用。最后通过对该体系 T CH 降解中间产物的检测，分析和讨论了其可能的降解路径，提出了 Ti 3 C 2 T x /Ti O 2 催化体系降解 T CH 相应的光催化反应机理。
图文导读
图
1.
（a-b）
Ti
3
C
2
T
X
MXene
和（c）
OV/C-TT-N
2
的S
EM
图像；（d-e）
OV/C-TT-1K(N
2
)
的H
RTEM
图像；（f）H
ADDF
及T
i
、O、C、F、K元素映射。
图
2.
不同样品的（a）X
RD
图像；（b）Raman图谱；（c）E
PR
图像。
图
3.
（a）不同催化剂对T
CH
的降解反应速率常数和（b）降解效率；
OV/C-TT-1K(N
2
)
可见光催化体系在（c）不同初始p
H
；（d）不同离子共存；（e）实际水体中对T
CH
的去除率以及反应速率常数；（f）捕获实验；
OV/C-TT-1K(N
2
)
可见光催化体系中（g）
DMPO-•OH
；（
h
）
DMPO-•O
2
−
；（
i
）
TEMPO-h
+
的
ESR
图谱。
图
4. TCH
在
OV/C-TT-1K(N
2
)
可见光催化体系中的可能降解途径。
图
5.
不同样品的（a）UV-
V
is DRS谱图；（b）瞬态光电流密度图；（c）Nyquist图；
OV/C-TiO
2
（d）；
OV/C-TiO
2
/C
（e）和
OV/C-TiO
2
/O-Ti
3
C
2
（f）的态密度图；（e）
OV/C-TiO
2
和（f）
O-Ti
3
C
2
的功函数。
总结与展望
在可见光照射下，本研究设计的
Ti
3
C
2
T
x
衍生
OV/C-TT-1K(N
2
)
催化剂表现出对盐酸四环素的高效去除，其一级动力学常数为
0.0217 min
−
1
。另外，该催化剂在实际水体中具有一定应用潜力，是一种有效利用太阳能的水处理技术。同时，本研究详细讨论了
Ti
3
C
2
T
x
衍生
Ti
O
2
基化合物中氧空位、
Ti
3+
、碳物种和
Ti
3
C
2
T
x
在光催化反应中的贡献及其协同效应，对各物种的工作机制提供了一定的科学依据。其中，氧空位和碳掺杂诱导
TiO
2
产生中间能级实现可见光吸收，碱处理协同热处理能够将
Ti
3
C
2
T
x
转变为具有高功函数的
O-Ti
3
C
2
。
因此
OV/C-TiO
2
与
O-Ti
3
C
2
的
接触
界面形成肖特基结，利于电荷从
OV/C-TiO
2
向
O-Ti
3
C
2
转移，同时肖特基结的存在阻止了电荷回流，减少了电荷的复合，进一步增强光催化活性
。
https://doi.org/10.1002/adfm.202307702
第一作者简介
周绍宇 ，湖南大学硕士研究生， 202 0 年于中国药科大学毕业后加入湖南大学环境科学与工程学院蒋龙波老师课题组攻读硕士学位，主要研究方向为环境功能型材料应用于废水处理与资源化，目前在 Advanced Functional Materials 上发表 2 篇环境功能材料相关论文。
通讯作者简介
蒋龙波 ，博士，湖南大学环境科学与工程学院岳麓学者。主要从事环境功能材料的开发与应用，光催化，芬顿 / 类芬顿等高级氧化技术，污染水质净化及河湖湿地污染水环境修复的研究，并取得多项研究成果。 入选 2022 年度科睿唯安全球 “ 高被引科学家（ Highly Cited Researchers 2022 ） ” 榜单，入选 2020 年全国博士后香江学者计划，入选全球顶尖前十万科学家榜单（ 2021 ），入选全球前 2% 顶尖科学家年度影响力（ Single year impact ）榜单（ 2020, 2021, 2022 ）。以第一作者或通讯作者身份在 Advanced Functional Materials, Applied Catalysis B: Environmental ， Small ， Chemical Engineering Journal ， Journal of Hazardous Materials 等期刊发表 SCI 学术论文 40 余 篇。 7 篇论文获评为 ESI Hot Paper ， 15 篇论文获评为 ESI Highly Cited Paper 。论文被引频次总计 1 万余 次， SCI h-index 63 。
李辉 ，博士，研究员。担任中国可再生能源学会生物质能专业委员会委员 / 副秘书长、中加生物能源中心（ C-CBC ）成员、全国分析与应用裂解学术会议常务理事、湖南省青年科技工作者协会第一届会员以及多家国际高水平期刊编委。入选“湖湘青年英才”支持计划、“中国可再生能源学会优秀青年科技人才”、“湖南省林业科技创新杰出青年”和“长沙市杰出创新青年”培养计划，获得“中国产学研合作促进会创新个人奖”和“全省林业科技工作优秀个人”称号。已发表论文 170 篇，其中 132 篇被 SCI 收录，论文引用次数 10026 次， h 指数 56 ，连续 3 年入选全球前 2% 顶尖科学家年度影响力榜单，申请专利 36 项，其中 21 项获得授权，获得中国发明协会创新奖一等奖（排名第 1 ）等省部级科技奖励 6 项。
卜元卿 ，中国科学院南京土壤研究所土壤学博士，现任生态环境部南京环境科学研究所研究员， 国家环境保护农药环境评价与污染控制重点实验室主任 ，化学品生态效应与污染控制中心 副主任 。主要研究方向：农药对生物毒性作用机制与测试方法；环境新污染物（内分泌干扰物）迁移特征、驱动机制与生态效应；有毒有害农业投入品使用面源污染与绿色替代技术；农药环境风险与污染控制技术标准体系研究。主持多项国家重点研发计划，获江苏省科学技术三等奖等多项奖励，获 2021 年江苏省最美科技工作者 等多项荣誉。