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CuS/Bi4Ti3O12 p-n异质结材料的燃烧合成、表征及其在可见光下高效降解2-甲基-4-氯苯氧乙酸除草剂中的光催化应用

DOI:10.1016/j.cej.2019.01.060 期刊:Chemical Engineering Journal 出版年份:2019 更新时间:2025-09-23 15:22:29
摘要: 本研究通过两步法合成了一系列CuS/Bi4Ti3O12 p-n异质结材料。首先采用尿素为燃料的简易燃烧法制备了Aurivillius相Bi4Ti3O12(BT),随后通过水热法沉积5-20 wt%的CuS对Bi4Ti3O12进行改性以制备异质结材料。合成方法与煅烧温度是影响Bi4Ti3O12材料形貌、粒径及相纯度的关键因素。在600℃煅烧温度下获得相纯的BT纳米片,其平面尺寸为150-200 nm,厚度介于50-70 nm之间。水热法制备的纯CuS包含直径1.2-1.6 μm的分级微球。该异质结构材料呈现由超薄CuS纳米片和BT纳米薄片构成的分级花状结构,HRTEM与微观结构研究揭示了两相间存在微观紧密相互作用。光学与电学测试表明,异质结形成显著提升了可见光吸收(400-800 nm)和载流子分离效率。在可见光照射下(3小时内降解率>95%),CuS/Bi4Ti3O12材料对2-甲基-4-氯苯氧乙酸(MCPA)除草剂的水相降解表现出优异光催化活性,其降解速率常数是纯BT材料的4.5倍。通过光谱法(以邻苯二甲酸和硝基蓝四氮唑为分子探针)确认·OH和O2·–自由基为活性物种。结合LC-ESI-MS、TOC及猝灭实验,阐明了光催化剂表面MCPA的降解机制。
作者: Krishnendu Das,Dibyananda Majhi,Y.P. Bhoi,B.G. Mishra
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研究概述 实验方案 设备清单

利用可见光照射下CuS/Bi4Ti3O12 p-n异质结材料开发水相中MCPA除草剂降解的新型光催化方案。

CuS/Bi4Ti3O12 p-n异质结材料在可见光下对MCPA降解表现出优异的光催化活性,3小时内降解率超过95%。该异质结增强了可见光吸收和载流子分离,从而高效产生活性物种。该催化剂稳定且可循环使用,在环境修复方面具有应用前景。未来工作应聚焦于实际应用优化及其他污染物的探索。

该研究仅限于实验室规模的实验,未涉及工业化应用的扩展性。在实际水样中,由于干扰离子和有机物的存在,光催化效率可能会降低。使用H2O2作为氧化剂会增加成本和复杂性。异质结的合成需要精确控制条件,这可能对大规模生产构成挑战。

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