Eine vollständige Methode zur Bewertung der Leistung von Photokatalysatoren für den Abbau von Antibiotika in der Umweltsanierung

Summary

Hier wird ein Protokoll vorgestellt, um eine universelle Reihe von experimentellen Verfahren für eine umfassende Laborbewertung von Photokatalysatoren im Bereich der Umweltreinigung am Beispiel der photokatalytischen Entfernung von antibiotischen organischen Schadstoffmolekülen aus Wasser durch Phthalocyanin-sensibilisierte Silberphosphat-Komposite zu untersuchen.

Abstract

Verschiedene Antibiotika wie Tetracyclin, Aureomycin, Amoxicillin und Levofloxacin kommen in großen Mengen in Grundwasser- und Bodensystemen vor und können zur Entwicklung resistenter und multiresistenter Bakterien führen, die eine Bedrohung für Mensch, Tier und Umwelt darstellen. Die photokatalytische Technologie hat aufgrund ihrer schnellen und stabilen Aufbereitung und direkten Nutzung der Sonnenenergie großes Interesse geweckt. Die meisten Studien, die die Leistung von Halbleiterkatalysatoren für den photokatalytischen Abbau organischer Schadstoffe in Wasser bewerten, sind derzeit jedoch unvollständig. In diesem Artikel wird ein vollständiges experimentelles Protokoll entworfen, um die photokatalytische Leistung von Halbleiterkatalysatoren umfassend zu bewerten. Hierin wurde rhombisches dodekaedrisches Silberphosphat durch ein einfaches Lösungsmittelphasensyntheseverfahren bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck hergestellt. BrSubphthalocyanin/Ag₃PO₄ Heterojunction-Materialien wurden nach dem solvothermen Verfahren hergestellt. Die katalytische Leistung von vorbereiteten Materialien für den Abbau von Tetracyclin wurde bewertet, indem verschiedene Einflussfaktoren wie Katalysatordosierung, Temperatur, pH-Wert und Anionen bei Atmosphärendruck unter Verwendung einer 300-W-Xenonlampe als simulierte Solarlichtquelle und einer Lichtintensität von 350 mW/^cm2 untersucht wurden. Im Vergleich zum ersten Zyklus behielt das konstruierte BrSubphthalocyanin/Ag3 PO 4 nach fünf photokatalytischen Zyklen 82,0 % der ursprünglichen photokatalytischen Aktivität bei, während das ursprüngliche Ag₃PO₄ nur 28,6 % beibehielt. Die Stabilität von Silberphosphatproben wurde durch ein Fünf-Zyklus-Experiment weiter getestet. Diese Arbeit bietet einen vollständigen Prozess zur Bewertung der katalytischen Leistung von Halbleiterkatalysatoren im Labor für die Entwicklung von Halbleiterkatalysatoren mit Potenzial für praktische Anwendungen.

Introduction

Tetracycline (TCs) sind gängige Antibiotika, die einen wirksamen Schutz vor bakteriellen Infektionen bieten und in der Tierhaltung, Aquakultur und Krankheitsprävention weit verbreitet sind ^1,2. Sie sind aufgrund ihrer Überbeanspruchung und unsachgemäßen Anwendung in den letzten Jahrzehnten sowie der Einleitung von Industrieabwässern im Wasser weit verbreitet³. Dies hat zu einer schweren Umweltverschmutzung und ernsthaften Risiken für die menschliche Gesundheit geführt. Beispielsweise kann das übermäßige Vorhandensein von TCs in der wässrigen Umgebung die Verteilung der mikrobiellen Gemeinschaft und die bakterielle Resistenz negativ beeinflussen, was zu ökologischen Ungleichgewichten führt, die hauptsächlich auf die stark hydrophile und bioakkumulative Natur von Antibiotika sowie auf ein gewisses Maß an Bioaktivität und Stabilität zurückzuführen^{sind 4,5,6} . Aufgrund der Hyperstabilität von TC in der Umwelt ist es schwierig, auf natürliche Weise abzubauen. Daher wurden viele Methoden entwickelt, einschließlich biologischer, physikalisch-chemischer und chemischer Behandlungen ^7,8,9. Biologische Behandlungen sind hocheffizient und kostengünstig^10,11. Da sie jedoch für Mikroorganismen toxisch sind, bauen sie Antibiotikamoleküle im Wasser nicht effektiv ab und mineralisieren^{sie 12}. Obwohl physikalisch-chemische Methoden Antibiotika direkt und schnell aus dem Abwasser entfernen können, wandelt diese Methode die Antibiotikamoleküle nur von der flüssigen in die feste Phase um, baut sie nicht vollständig ab und ist zu kostspielig¹³.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden wurde die Halbleiter-Photokatalyse in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer effizienten katalytischen Abbaueigenschaften in großem Umfang für den Abbau von Schadstoffen eingesetzt¹⁴. Zum Beispiel erreichte der edelmetallfreie magnetische Fe_xMn_{y-Katalysator} von Li et al. eine effiziente photokatalytische Oxidation einer Vielzahl von antibiotischen Molekülen in Wasser ohne die Verwendung eines Oxidationsmittels¹⁵. Yan et al. berichteten über die In-situ-Synthese von lilienartigen NiCo₂O_{4-Nanoblättern} auf aus Biomasse gewonnenem Kohlenstoff, um eine effiziente photokatalytische Entfernung von phenolischen Schadstoffen aus Wasser zu erreichen¹⁶. Die Technologie beruht auf einem Halbleiterkatalysator, der durch Licht angeregt wird, um photogenerierte Elektronen (e^–) und Löcher (h⁺) zu ^erzeugen17. Die photogenerierten e- und h⁺ werden durch Reaktion mit absorbiertem O2 und H2O in Superoxidanionenradikale ^(O2-) oder Hydroxylradikale (OH^–) umgewandelt, und diese oxidativ aktiven Spezies oxidieren und zersetzen organische Schadstoffmoleküle in Wasser in CO2 und _H2Ound andere kleinere organischeMoleküle^18,19,20 . Es gibt jedoch keinen einheitlichen Feldstandard für die Leistungsbewertung von Photokatalysatoren. Die Bewertung der photokatalytischen Leistung eines Materials sollte in Bezug auf den Katalysatorherstellungsprozess, die Umgebungsbedingungen für eine optimale katalytische Leistung, die Katalysatorrecyclingleistung usw. untersucht werden. Ag₃PO₄ hat mit seiner herausragenden photokatalytischen Fähigkeit erhebliche Besorgnis bei der Umweltsanierung ausgelöst. Dieser neue Photokatalysator erreicht Quanteneffizienzen von bis zu 90 % bei Wellenlängen größer als 420 nm, was deutlich über den bisher berichteten Werten²¹ liegt. Die starke Photokorrosion und die unbefriedigende Elektronenloch-Trennrate von Ag₃PO₄ schränken jedoch seine breite Anwendung^{ein 22}. Daher wurden verschiedene Versuche unternommen, diese Nachteile zu überwinden, wie z. B. Formoptimierung²³, Ionendotierung 24 und Heterostrukturbildung^25,26,27. In dieser Arbeit wurde Ag₃PO₄ sowohl mit Hilfe der Morphologiekontrolle als auch des Heterojunction-Engineerings modifiziert. Zunächst wurden rhombisch dodekaedrische_{Ag3PO4-Kristalle} mit hoher Oberflächenenergie durch Lösungsmittelphasensynthese bei Raumtemperatur unter Umgebungsdruck hergestellt. Dann wurde organisches supramolekulares BrSubphthalocyanin (BrSubPc), das sowohl als Elektronenakzeptor als auch als Elektronendonor fungieren kann, auf der Silberphosphatoberfläche durch die solvothermale Methode 28,29,30,31,32,33,34,35 selbst assembliert . Die photokatalytische Leistung der hergestellten Materialien wurde bewertet, indem der Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf die photokatalytische Leistung der vorbereiteten Proben zum Abbau von Spuren von Tetracyclin in Wasser untersucht wurde. Diese Arbeit bietet eine Referenz für die systematische Bewertung der photokatalytischen Leistung der Materialien, die für die zukünftige Entwicklung photokatalytischer Materialien für praktische Anwendungen in der Umweltsanierung von Bedeutung ist.

Protocol

1. Vorbereitung des BrSubPc ANMERKUNG: Die BrSubPc-Probe wurde gemäß einer zuvor veröffentlichten Arbeit36 erstellt. Die Reaktion wird in einem zweireihigen Rohrvakuumleitungssystem durchgeführt, und der Reaktionsprozess wird unter wasser- und sauerstofffreien Bedingungen streng kontrolliert. Vorbehandlung von Rohstoffen2 g o-Dicyanbenzol wiegen, 24 h im Vakuumofen trocknen, herausnehmen und dann vorsichtig in einem Achatmörser ma…

Representative Results

Das rhombische Dodekaeder Ag3PO4 wurde erfolgreich unter Verwendung dieser Lösungsmittelphasensynthesemethode synthetisiert. Dies wird durch die in Abbildung 1A, B gezeigten REM-Bilder bestätigt. Nach der REM-Analyse wurde festgestellt, dass der durchschnittliche Durchmesser der rhombischen Dodekaederstruktur zwischen 2-3 μm liegt. Die unverfälschten BrSubPc-Mikrokristalle weisen eine große unregelmäßige Flockenstruktur auf (…

Discussion

In diesem Artikel stellen wir eine vollständige Methodik zur Bewertung der katalytischen Leistung von photokatalytischen Materialien vor, einschließlich der Herstellung von Katalysatoren, der Untersuchung von Faktoren, die die Photokatalyse beeinflussen, und der Leistung des Katalysatorrecyclings. Diese Bewertungsmethode ist universell und auf alle photokatalytischen Materialleistungsbewertungen anwendbar.

In Bezug auf Materialaufbereitungsverfahren wurden viele Schemata für die Herstellung…

Materials

300 W xenon lamp	CeauLight	CEL-HXF300
AgNO3	Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd.	7783-99-5
Air Pump	Samson Group Co.	ACO-001
BBr3	Bailingwei Technology Co., Ltd.	10294-33-4
Constant temperature circulating water bath	Beijing Changliu Scientific Instruments Co.	HX-105
Dichloromethane	Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd.	75-09-2
Ethanol	Tianjin Fuyu Fine Chemical Co., Ltd.	64-17-5
Fourier-transform infrared	Bruker	Vector002
Hexane	Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd.	110-54-3
HNO3	Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd.	7697-37-2
ICP-OES	Aglient	5110
K2HPO4	Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd.	16788-57-1
Magnesium Sulfate	Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd.	10034-99-8
Methanol	Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd.	67-56-1
NaOH	Aladdin Reagent (Shanghai) Co., Ltd.	1310-73-2
NH4NO3	Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd.	6484-52-2
o-dichlorobenzene	Tianjin Fuyu Fine Chemical Co., Ltd.	95-50-1
o-dicyanobenzene	Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd.	91-15-6
Scanning electron microscopy	JEOL	JSM-6390
Trichloromethane	Tianjin Kemiou Chemical Reagent Co., Ltd.	67-66-3
Ultraviolet-visible Spectrophotometer	Shimadzu	UV-3600
X-ray diffractometer	Rigaku	D/max-IIIA