石墨相氮化碳是研究最为广泛的可见光光催化剂之一,但其光生激子解离能高、载流子复合严重等问题限制了其活性。缺陷工程,特别是引入氮空位,被发现能够有效调控氮化碳的电子结构,在带隙中引入缺陷能级,减小带隙,并作为电子陷阱捕获光生电子,抑制其与空穴的复合。另一方面,亚硫酸盐是某些工业烟气脱硫废水中大量存在的副产物,通常需要额外的氧化处理。如果能在氮化碳光催化过程中,利用其产生的活性氧物种将有毒的亚硫酸盐氧化为无毒的硫酸盐,同时利用该过程产生的活性自由基协同降解水中的有机污染物,即可实现“以废治废”的效果。
本研究制备的富含氮空位的改性氮化碳呈多孔纳米片结构,比表面积增大。在可见光照射下,单独改性氮化碳对磺胺类抗生素的降解速率就远高于普通氮化碳。而在加入微量亚硫酸钠后,降解速率进一步提升了一个数量级。自由基捕获实验和电子顺磁共振分析证明,在该体系中,超氧自由基和单线态氧是主要的活性氧物种。亚硫酸盐的加入,不仅被空穴和羟基自由基氧化,避免了空穴的浪费,还额外产生了具有强氧化能力的硫酸根自由基。氮空位的引入,有效地捕获了光生电子并传递给表面吸附的氧气,促进超氧自由基的生成,而空穴则被亚硫酸盐高效消耗,极大地促进了载流子的分离效率。
该研究展示了一种通过缺陷工程和“变废为宝”的氧化路径双重策略,来大幅提升光催化活性的成功范例。在连续5次循环和真实水体实验中,催化剂展现了优秀的稳定性和可重复使用性。该体系受水中背景物质的干扰较小,在处理含有高浓度天然有机质和无机阴离子的实际水体时,仍保持高效的降解能力。该技术为制药废水的深度处理和工业烟气脱硫废水的资源化利用提供了新的思路。
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