Page 127 - 《精细化工》2021年第9期
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第 9 期                      汪鸣凤，等: Bi 2 S 3 /CNFs 复合材料制备及其光催化性能                          ·1841·


                 随着医药工业的发展，包括有害药物在内的大                          1   实验部分
                                        [1]
            量废水产生并排放到水环境中 。其中，抗生素由
            于其毒性和细菌耐药性，对人类和生态环境产生不                             1.1   试剂与仪器
            利影响    [2-3] 。甲硝唑（MTZ）属于硝基咪唑类抗生素，                      硝酸铋水 合 物 〔 Bi(NO 3 ) 3 •5H 2 O ，质 量分数
            主要用于治疗传染病。因具有高溶解性、不可生物                             99%〕、硫脲（CH 4 N 2 S，质量分数 99%）、无水乙醇
                                                     [4]
            降解性和高流动性，在水环境中很难被消除 。近                             （C 2 H 6 O）、甲硝唑（C 6 H 9 N 3 O 3 ，质量分数 99%），
            年来，许多水处理技术被用于去除抗生素，包括物                             AR ，阿拉丁化学有限公司；活性纳米碳纤维
            理吸收、膜过滤、生物净化、电化学氧化和光催化                             （CNFs），AR，苏州碳丰科技；去离子水，自制。
            降解  [5-7] 。光催化技术以半导体作为光催化剂，被认                          Ultima  Ⅳ型 X 射线衍射仪，日本理学株式会
            为是一种降解抗生素高效、经济、省时的绿色方                              社；SU8010 型场发射扫描电子显微镜，日本 Hitachi
               [8]
            法 。然而，大多数具有宽禁带的半导体只能被紫                             公司；Tecnai G2 F20 型透射电子显微镜，美国 FEI
                                                               有限公司；AVAT-AR 360 型傅里叶变换红外光谱仪，
            外光（UV）或近紫外光激发，而紫外光仅占太阳能
            的 4%  [9-10] 。因此，探索具有高效广谱捕获的光催化                    美国 Nicolet 公司；Thermo Scientific  K-Alpha 型 X
                                                               射线光电子能谱仪，赛默飞世尔科技（中国）有限
            剂仍然是一个挑战。
                                                               公司；TriStarⅡ3020 系列高性能多通道全自动比表
                 硫化铋（Bi 2 S 3 ）具有窄禁带（1.3~1.7 eV）和
            宽的光吸收范围，适用于可见光下的光催化应用                      [11] 。  面积及孔隙度分析仪，美国麦克仪器公司；紫外-
                                                               可见吸收光谱仪(UV-Vis DRS)、FP- 8500  型荧光光
            然而，载流子的快速复合限制了它的应用，需要对
            其进行改性以提升光催化活性              [12] 。ASKARI 等 [13] 用   谱仪(PL)，日本 Jasco 公司；CHI660E  型电化学工
                                                               作站,  上海辰华公司；PLS-SXE300 型氙灯光源，北
            水热法合成 CuWO 4 /Bi 2 S 3 复合材料，在最佳操作条
                                                               京泊菲莱科技有限公司；722S 紫外-可见分光光度
            件下，对头孢氨苄的光催化降解率为 81.7%，分别
            是 Bi 2 S 3 和 CuWO 4 的 3 倍和 8.5 倍。MANNA 等    [14]   计，上海佑科仪器仪表有限公司；Agilent 1290-6550
                                                               液相色谱-质谱联用仪，美国 Agilent 公司。
            制备了 Au-Bi 2 S 3 纳米结构光催化剂，在可见光下，
                                                               1.2   制备
            对亚甲基蓝染料的降解率为 80%，高于在相同条件                               称取一定量的 CNFs，将其超声分散在 40 mL
            下的纯 Bi 2 S 3 (28%)。KURNAZ 等      [15]  制备了一种
                                                               水溶液中，再称取 0.304 g（4 mmol）CH 4 N 2 S 放入
            Bi 2 S 3 @ Fe 3 O 4 磁性纳米复合材料，在可见光照射下，
                                                               CNFs 分散液中搅拌 30 min，然后加入 0.485 g
            20 min 内成功地将 95%的对硝基苯酚还原为对氨基
                                                               （1 mmol）Bi(NO 3 ) 3 •5H 2 O 搅拌 30 min。将所得溶
            苯酚。Bi 2 S 3 经过改性后，其光催化性能提高，可将
                                                               液放入 50 mL 的高压釜中，放置烘箱内在 120  ℃
            其应用于不同污染物的光降解。
                                                               下水热反应 24 h。待水热反应结束后冷却至室温，
                 活性纳米碳纤维（CNFs）作为载体材料已被用
                                                               用去离子水和无水乙醇分别离心洗涤 3 次后，放置
            作电极材料、吸附剂和催化剂基底，其具有较大的
                                                               在 60  ℃真空烘箱内干燥 12 h。CNFs 用量（以 Bi 2 S 3
            比表面积、较高的导电性、耐腐蚀性和灵活性                      [16] ，
                                                               质量计，下同）分别为 27%、37%、47%、57%及
            且易相互连接形成三维网状结构，可以提供更多活                             67%，制备的催化剂命名为 27% Bi 2 S 3 /CNFs、37%
            性位点来实现性能提升           [17] 。ZHAO 等 [18] 采用简单的
                                                               Bi 2 S 3 /CNFs、47% Bi 2 S 3 /CNFs、57% Bi 2 S 3 /CNFs 及
            水热法制备 Bi 2 S 3 /CNFs 复合材料，作为染料敏化太
                                                               67% Bi 2 S 3 /CNFs。在相同条件下，不加 CNFs 合成
            阳能电池中的电极，其具有良好的电化学性能，光
                                                               Bi 2 S 3 。
            电转换效率为 7.64%，优于常用的 Pt 电极(7.12%)。                   1.3   光催化降解实验
            WANG 等    [19]  以 Bi 2 WO 6 与碳纤 维 复合制 备出               在 300 W 氙灯下，对 Bi 2 S 3 和 Bi 2 S 3 /CNFs 复合
            Bi 2 WO 6 /CNFs 复合材料，在可见光下，360 min 内               材料进行光催化实验。以 MTZ 溶液在可见光照射下
            可降解 92%的甲基橙，高于纯 Bi 2 WO 6 (81%)。                   的降解情况来评价 Bi 2 S 3 和 Bi 2 S 3 /CNFs 复合材料的
                 本文拟采用水热法制备 Bi 2 S 3 /CNFs 复合材料，               光催化性能。
            CNFs 的引入有效提升复合材料的导电性，光生电子-                            （1）黑暗吸附实验。称取 60 mg 光催化剂投入
            空穴对在光催化反应过程中得到有效分离，从而提                             100 mL 质量浓度为 10 mg/L 的 MTZ 水溶液中，在
            高光催化性能。本文将其应用于光催化降解 MTZ，                           黑暗条件下暗反应 30 min，保持剧烈搅拌以达到吸
            与其他的研究相比         [20-21] 同样表现出良好的光催化降              附/解吸平衡；（2）光照催化测试。以经 420 nm 滤
            解效果。通过中间产物分析，提出了一种 MTZ 光催                          光片遮挡的氙灯为光源，每隔 30 min 取样 1 次。经
            化降解途径，为 MTZ 污染防治提供了新思路。                            0.45 μm 的微孔过滤器过滤后,使用紫外-可见分光光
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