摘要：随着抗生素废水在水体和陆地生态系统的肆意排放,抗生素污染已成为当今世界重要的环境问题.由于抗生素废水具有生物毒性大、含有抑菌物质等特点,传统的物理吸附法、生物处理法在处理这类难降解有毒有机废水,尤其是含残留微量抗生素的废水时效果较差.为了解决抗生素废水所引起的环境危机,人们尝试了许多方法.近年来,光催化技术作为一种适用范围广、反应速率快、氧化能力强、无污染或少污染的处理抗生素废水的方法受到人们广泛关注.半导体材料在太阳光照射下,可产生具有较强氧化作用的羟基或超氧自由基,从而起到降解抗生素分子的作用.然而,传统的光催化处理抗生素废水光催化剂主要局限于TiO_2半导体,它存在太阳光谱吸收范围窄、光生电荷复合率高等问题,严重制约其工业化应用.因此,人们一直致力于开发高效、稳定的可见光响应型光催化剂.本文根据光催化技术的基本原理,综述了目前几种基于不同策略设计开发可见光光催化降解抗生素废水的新型光催化剂的方法.离子掺杂改性宽带隙半导体是开发高效可见光光催化剂的常用方法.通过过渡金属离子或非金属离子掺杂改性,可以使传统的TiO_2和SrTiO_3等紫外光催化剂吸收带边发生红移,响应可见光,从而显著提高可见光下光催化剂降解抗生素的效率.然而必须注意的是,掺杂的金属离子本身会成为电子-空穴复合点位,因此,过量的掺杂金属或非金属离子可能会降低其光催化活性.考虑到单一半导体材料在光催化反应中存在的光生载流子容易复合、可见光利用率低等问题,构建异质结构复合光催化体系,通过不同半导体之间的协同作用,促进光生电荷的分离与转移,是获得高效光催化体系的重要策略之一.典型的Ⅱ型异质结光催化剂,当不同的半导体紧密接触时,由于异质结两侧能带等性质的不同会形成空间电势差,从而有利于光生载流子的分离,光催化效率提高.作为一种复合光催化体系,表面等离子体共振增强型光催化体系近年来引起了国内外学者的广泛关注.Ag,Au和Pd金属纳米粒子在吸收光后其表面发生等离共振,随后等离子体发生衰减,把聚集的能量转移到半导体材料的导带.这个过程产生的高能电子(热电子),逃离贵金属纳米粒子而被与其接触的半导体收集,从而形成金属-半导体肖特基接触.形成的肖特基结可以显著提高光催化的光生电荷分离效率,从而提高光催化降解抗生素活性.目前,与传统物化法/生化法相比,光催化技术用于处理抗生素废水具有十分明显的技术优势,在水处理方面有着很好的应用前景.针对目前光催化体系存在的光生载流子容易复合的巨大挑战,今后,构筑高效复合光催化体系(例如石墨烯基二维复合光催化剂在光生电荷分离、太阳光利用率等方面已展现出较好的综合性能)将成为高效光催化降解抗生素催化剂研发的重要方向之一.

摘要：利用太阳光在光催化材料作用下将低能量密度的太阳能转化成化学能储存在氢气和一氧化碳等清洁能源中,有利于能量的存储、运输和使用,具有广阔的前景.光催化技术的关键在于催化剂,以TiO2为代表的传统半导体光催化剂存在着电子与空穴复合率高、禁带宽度过大和无法吸收可见光等缺点,这些因素限制了其在光催化领域的进一步发展和应用.因此,寻找优秀的光催化材料是科研工作者的不懈追求.石墨相氮化碳是一种仅由C和N两种元素组成的有机半导体材料,具有良好的热稳定、耐腐蚀性和生物相容性,这些优点使得石墨相氮化碳在多个领域都极具应用前景.在光催化领域,石墨相氮化碳独特的电子结构、稳定的物理化学性质,以及其导带位置(约–1.12 eV)远小于氢离子的还原电势(0 eV),使其能够很好地应用于光解化降解污染物和光解水产氢.目前,石墨相氮化碳光催化技术的研究重点在于如何解决石墨相氮化碳比表面积过小和光量子效率低的问题.针对这些问题,我们对石墨相氮化碳光催化材料的结构进行了设计,构建出Cd S修饰的一维g-C_3N_4多孔纳米管.以三聚氰胺为原料,通过质子化处理,得到表面光滑、质地均匀、拥有超高长径比的三聚氰胺纳米纤维(MNFs),然后对其进行煅烧处理得到多孔纳米管状g-C_3N_4催化剂.随后,在纳米管的基础上通过水热法与Cd S颗粒复合,成功制备出多孔管状g-C_3N_4/CdS复合异质结型催化剂.利用多种表征手段对所合成的新型光催化剂的形貌、结构、光学性质及光电性质进行了表征,并评估了其光催化降解罗丹明B和光解水产氢性能,考察了催化剂的循环利用及稳定性.SEM和TEM结果表明,管状的石墨相氮化碳拥有丰富的孔道结构,其增大的比表面积有利于暴露更多的活性位点,从而提高了光催化性能.光催化降解罗丹明B实验表明,多孔管状g-C_3N_4的催化性能较体相g-C_3N_4有明显提高.当管状g-C_3N_4与适量Cd S复合形成异质结型光催化剂时,光催化效果得到进一步提升,其中当Cd S负载量为10mol%时,复合物的催化效果最好,在60 min内可完全降解罗丹明B.在光催化分解水产氢实验中, 5 h内管状g-C_3N_4/CdS复合物产氢量高达362.7μmol,分别是体相g-C_3N_4的16.3倍和管状g-C_3N_4的4.6倍.

摘要：密度泛函理论(DFT)计算对掺杂体系新型环境光催化剂设计开发具有指导意义.基于DFT框架下的第一性原理平面波超软赝势方法(USPP),对α、β、γ、δ-Bi2O3晶体几何结构分别进行了优化计算,从理论上得到了Bi2O3的总体态密度(TDOS)和Bi、O原子的分波态密度(PDOS).在此基础上对Bi2O3超晶胞进行Ti(IV)的掺杂计算,讨论了Ti(IV)掺杂对各种Bi2O3的电子结构和光吸收特性的影响.结果表明Ti(IV)掺杂Bi2O3晶体后,Ti(IV)的3d轨道进入禁带并与O2p、Bi6p轨道作用,使禁带宽度(Eg)变小,Bi2O3的吸收边红移,从而有助于Bi2O3光催化活性的改善.通过水热合成法制备的Ti(IV)掺杂Bi2O3样品的紫外-可见光漫反射光谱验证了计算的结果.在光催化降解有机染料结晶紫的实验中,光催化剂活性的改善进一步得到证实.