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CuFeS₂/凹凸棒石纳米复合材料光芬顿催化降解水中抗生素

文章出处:人气: 发表时间:2022-03-04 17:53

  四环素类抗生素在养殖业废水中频繁检出,其对生态和人体健康的潜在风险日益受到关注。非均相光芬顿技术是去除这类污染物的有效手段。黄铜矿(CuFeS₂)是一种天然存在的、具有窄带隙(~1.0eV)和全可见光吸收的半导体矿物,其结构中富含的Fe和Cu都是优良的芬顿催化活性位点。然而,合成CuFeS₂纳米颗粒极易团聚,且光生电子-空穴对复合较快。凹凸棒石(ATP)是一种天然的一维纳米粘土矿物,具有纳米棒状形貌、高比表面积和丰富的表面羟基(Si-OH, Al-OH)。以ATP为载体,可以分散和稳定CuFeS₂纳米颗粒,且其表面的活性羟基可能参与金属离子的配位和催化循环,产生协同增效作用。

  

  本研究通过简单的一步水热法,在ATP纳米棒表面原位生长了分散均匀的CuFeS₂纳米颗粒。XPS和EXAFS分析揭示了CuFeS₂与ATP之间通过Cu-O-Si和Fe-O-Al键形成了强的界面化学连接。在可见光照射和微量H₂O₂存在的条件下,CuFeS₂/ATP复合催化剂对四环素的降解速率常数是纯CuFeS₂的4.5倍,且矿化率大幅提高。这种协同增强的活性源于多重机制:1)ATP载体有效分散了CuFeS₂纳米颗粒,暴露了更多的活性位点;2)ATP表面的羟基促进了H₂O₂和污染物分子的吸附;3)ATP的硅铝酸盐骨架可能通过配位作用,稳定了Cu⁺和Fe²⁺的中间价态,促进了金属氧化还原循环的电子转移。

  

  EPR和自由基捕获实验证实,·OH是该光芬顿体系中降解四环素的最主要活性物种。经过5次循环使用,CuFeS₂/ATP催化剂展现了良好的稳定性和可回收性,Cu和Fe离子的溶出浓度均低于环境安全限值。该研究利用了廉价、丰富的天然凹凸棒石粘土与黄铜矿矿物,通过绿色的一步水热法,制备了高性能的矿物基光芬顿复合材料,为利用自然界资源开发环境修复材料、处理养殖业抗生素废水,提供了经济且可持续的技术方案。

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