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南京理工大学姜炜:0D/1D Co3O4-NTCN异质结纳米复合材料用于光催化去除药品和个人护理产品

学术动态    2022-07-12 16:09

DOI: 10.1016/j.seppur.2022.121481

 

石墨氮化碳(g-C3N4)是光催化降解新兴环境污染物,如药品和个人护理产品(PPCPs)的理想选择。为了提高纯g-C3N4的光降解性能,可以考虑构建不同的异质结构、表面改性以及形态工程。然而,由于g-C3N4表面官能团较少,其表面通常很难改性。本工作通过NaOH处理(NTCN)制备了表面羟基化的g-C3N4纳米纤维,然后通过原位生长的方法获得0D/1D Co3O4-NTCN纳米复合材料。水解可有效修饰g-C3N4表面,使其富含羟基,减少氨基数量,有利于光催化活性。FTIR和XPS证实了NTCN的表面羟基化。从结构上看,Co3O4-NTCN具有独特的0D/1D结构,这在基于氮化碳的光催化剂方面鲜有报道,其提供了较大的表面积和较短的扩散距离,从而导致更多的光照以及界面光生电荷从内部向表面的有效转移。TC、DCF和MT在60min内的光降解率分别达到97.3%、88.9%和63.2%。通过DFT计算证实Co3O4-NTCN复合材料的能带结构以及光生电荷的分离和迁移。自由基捕获试验表明O2·和·OH为主要自由基,同时还提出了一种可能的Z型机理。

 

图1.(a)0D/1D Co3O4-NTCN的制备示意图。

 

图2.(a-b)块状g-C3N4、NTCN、Co3O4 QDs、Co3O4-NTCN的XRD图谱;(c)样品的FTIR图谱;(d)g-C3N4、NTCN和Co3O4-NTCN的氮气吸附等温线;(e)g-C3N4、NTCN和Co3O4-NTCN的孔径分布。

 

图3.(a)g-C3N4、(b)NTCN和(c-f)Co3O4-NTCN的HRTEM图;(g)Co3O4-NTCN的EDS映射图像;(h)Co3O4-NTCN的EDS图谱。

 

图4.(a)g-C3N4、NTCN和Co3O4-NTCN的X射线光电子能谱(XPS);(b)Co3O4-NTCN的Co2p;(c)Co3O4-NTCN的C1s;(d)g-C3N4、NTCN和Co3O4-NTCN的N1s;(e)g-C3N4、NTCN和Co3O4-NTCN的O1s。

 

图5.(a)通过水解过程从块状g-C3N4到NTCN的拟议结构演变示意图;(b)在NTCN纳米纤维上原位形成Co3O4 QDs的示意图。

 

图6.(a)样品的DRS图谱;(b)NTCN和Co3O4-NTCN的能带结构;(c)NTCN和Co3O4-NTCN的带隙值;(d)NTCN和Co3O4-NTCN的Mott-Schottky图;(e)样品的PL光谱。

 

图7.(a)样品对TC的光催化降解效率;(b)样品对TC的光催化动力学;(c)样品对MT的光催化降解效率;(d)样品对MT的光催化动力学;(e)样品对DCF的光催化降解效率;(f)样品对DCF的光催化动力学。

 

图8.不同pH条件下样品对(a)MT、(c)DCF和(e)TC的光催化降解效率;不同PPCPs浓度下样品对(a)MT、(c)DCF和(e)TC的光催化降解效率。

 

图9.(a)Co3O4-NTCN和NTCN的电化学阻抗谱;(b)Co3O4-NTCN-30z的循环光催化活性;(c)Co3O4-NTCN的活性物种捕获实验;(d)样品的瞬态光电流响应;样品的ESR图谱:(e)·OH;(f)·O2-

 

图10.(a)g-C3N4和(b)Co3O4-NTCN异质结的模型结构优化;(c)g-C3N4和(d)Co3O4-NTCN异质结的能带结构计算;(e)g-C3N4和(f)Co3O4-NTCN异质结的态密度计算。

 

图11.(a)Z型异质结形成机理示意图;(b)Co3O4-NTCN的Zeta电位;(c)Co3O4-NTCN可能的直接接触Z型机理。

 

图12.(a)DCF可能的降解途径;(b)MT可能的降解途径。

 

图13.TC可能的降解途径。