Præsenteret her er en protokol til at udforske et universelt sæt eksperimentelle procedurer til omfattende laboratorieevaluering af fotokatalysatorer inden for miljørensning ved hjælp af eksemplet på fotokatalytisk fjernelse af antibiotiske organiske forurenende molekyler fra vand ved phthalocyaninsensibiliserede sølvphosphatkompositter.
Forskellige antibiotika såsom tetracyclin, aureomycin, amoxicillin og levofloxacin findes i store mængder i grundvands- og jordsystemer, hvilket potentielt kan føre til udvikling af resistente og multiresistente bakterier, der udgør en trussel mod mennesker, dyr og miljøsystemer. Fotokatalytisk teknologi har tiltrukket stor interesse på grund af sin hurtige og stabile behandling og direkte brug af solenergi. Imidlertid er de fleste undersøgelser, der evaluerer halvlederkatalysatorers ydeevne til fotokatalytisk nedbrydning af organiske forurenende stoffer i vand, i øjeblikket ufuldstændige. I dette papir er en komplet eksperimentel protokol designet til omfattende evaluering af halvlederkatalysatorers fotokatalytiske ydeevne. Heri blev rhombisk dodecahedral sølvphosphat fremstillet ved en simpel opløsningsmiddelfasesyntesemetode ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk. BrSubphthalocyanin/Ag3PO4heterojunction materialer blev fremstillet ved den solvotermiske metode. Den katalytiske ydeevne af forberedte materialer til nedbrydning af tetracyklin blev evalueret ved at studere forskellige påvirkende faktorer såsom katalysatordosering, temperatur, pH og anioner ved atmosfærisk tryk ved hjælp af en 300 W xenonlampe som en simuleret sollyskilde og en lysintensitet på 350 mW/ cm 2. Sammenlignet med den første cyklus opretholdt den konstruerede BrSubphthalocyanin/Ag3 PO 4 82,0% af den oprindelige fotokatalytiske aktivitet efter fem fotokatalytiske cyklusser, mens den uberørte Ag3PO4 kun opretholdt 28,6%. Stabiliteten af sølvphosphatprøver blev yderligere testet ved et femcyklusforsøg. Dette papir giver en komplet proces til evaluering af halvlederkatalysatorers katalytiske ydeevne i laboratoriet til udvikling af halvlederkatalysatorer med potentiale for praktiske anvendelser.
Tetracykliner (TC’er) er almindelige antibiotika, der giver effektiv beskyttelse mod bakterielle infektioner og anvendes i vid udstrækning i husdyrhold, akvakultur og sygdomsforebyggelse 1,2. De er bredt fordelt i vand på grund af deres overforbrug og forkert anvendelse i de sidste årtier samt udledning af industrielt spildevand3. Dette har medført alvorlig miljøforurening og alvorlige risici for menneskers sundhed; for eksempel kan overdreven tilstedeværelse af TC’er i det vandige miljø påvirke mikrobiel samfundsfordeling og bakteriel resistens negativt, hvilket fører til økologiske ubalancer, hovedsagelig på grund af antibiotikas stærkt hydrofile og bioakkumulerende karakter samt et vist niveau af bioaktivitet og stabilitet 4,5,6 . På grund af TC’s hyperstabilitet i miljøet er det vanskeligt at nedbryde naturligt; Derfor er der udviklet mange metoder, herunder biologiske, fysisk-kemiske og kemiske behandlinger 7,8,9. Biologiske behandlinger er yderst effektive og billige10,11. Men fordi de er giftige for mikroorganismer, nedbryder og mineraliserer de ikke effektivt antibiotikamolekyler i vand12. Selvom fysisk-kemiske metoder kan fjerne antibiotika fra spildevand direkte og hurtigt, omdanner denne metode kun antibiotikamolekylerne fra den flydende fase til den faste fase, nedbryder dem ikke fuldstændigt og er for dyr13.
I modsætning til konventionelle metoder er halvlederfotokatalyse blevet anvendt i vid udstrækning til nedbrydning af forurenende stoffer i de seneste årtier på grund af dets effektive katalytiske nedbrydningsegenskaber14. For eksempel opnåede den ædelmetalfrie magnetiske FexMny katalysator af Li et al. effektiv fotokatalytisk oxidation af en række antibiotikamolekyler i vand uden brug af oxidant15. Yan et al. rapporterede in situ-syntesen af liljelignende NiCo2O4 nanoark på affaldsbiomasseafledt kulstof for at opnå effektiv fotokatalytisk fjernelse af phenolforurenende stoffer fra vand16. Teknologien er afhængig af en halvlederkatalysator, der er ophidset af lys for at generere fotogenererede elektroner (e–) og huller (h +) 17. De fotogenererede e- og h+ omdannes til superoxidanionradikaler (O2-) eller hydroxylradikaler (OH–) ved at reagere med absorberede O2 ogH2O, og disse oxidativt aktive arter oxiderer og nedbryder organiske forurenende molekyler i vand til CO2 ogH2O og andre mindre organiskemolekyler18,19,20 . Der er dog ingen samlet feltstandard for evaluering af fotokatalysatorens ydeevne. Evalueringen af et materiales fotokatalytiske ydeevne bør undersøges med hensyn til katalysatorforberedelsesprocessen, miljøbetingelser for optimal katalytisk ydeevne, katalysatorgenvindingsydelse osv. Ag3PO4 har med sin fremtrædende fotokatalytiske evne udløst betydelig bekymring for miljøsanering. Denne nye fotokatalysator opnår kvantevirkningsgrader på op til 90 % ved bølgelængder større end 420 nm, hvilket er betydeligt højere end tidligere rapporterede værdier21. Den alvorlige fotokorrosion og utilfredsstillende elektronhulsseparationshastighed for Ag3PO4 begrænser imidlertid dens brede anvendelse22. Derfor er der gjort forskellige forsøg på at overvinde disse ulemper, såsom formoptimering23, iondoping 24 og heterostrukturopbygning25,26,27. I dette papir blev Ag3PO4 modificeret ved hjælp af morfologikontrol såvel som heterojunction engineering. For det første blev rhombiske dodekaedriske Ag3PO4-krystaller med høj overfladeenergi fremstillet ved opløsningsmiddelfasesyntese ved stuetemperatur under omgivende tryk. Derefter blev organisk supramolekylær BrSubphthalocyanin (BrSubPc), som kan fungere som både elektronacceptor og elektrondonor, selvsamlet på sølvphosphatoverfladen ved den solvotermiske metode 28,29,30,31,32,33,34,35 . De fremstillede materialers fotokatalytiske ydeevne blev evalueret ved at undersøge virkningen af forskellige miljøfaktorer på de forberedte prøvers fotokatalytiske ydeevne til nedbrydning af spormængder af tetracyklin i vand. Dette papir giver en reference til den systematiske evaluering af materialernes fotokatalytiske ydeevne, hvilket er af betydning for den fremtidige udvikling af fotokatalytiske materialer til praktiske anvendelser i miljørensning.
I dette papir præsenterer vi en komplet metode til evaluering af fotokatalytiske materialers katalytiske ydeevne, herunder fremstilling af katalysatorer, undersøgelse af faktorer, der påvirker fotokatalyse og ydeevnen ved katalysatorgenanvendelse. Denne evalueringsmetode er universel og gælder for alle evalueringer af fotokatalytisk materialeydelse.
Med hensyn til materialeforberedelsesmetoder er der rapporteret mange ordninger til fremstilling af rhombisk dodekaedriskAg3PO…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (21606180) og Natural Science Basic Research Program of Shaanxi (Program nr. 2019JM-589).
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 |