碳掺杂-金属限域双层中空TiO2构建及降解抗生素废水的效能与机理研究

It is still a considerable challenge for efficiently or completely degrading antibiotics in wastewater under visible-light irradiation. This project constructs a novel carbon-doped and metal confined hollow TiO2 photocatalyst with double-shelled structure by using its interlamellar spacing as confined space of metal nanoparticles. Under visible-light irradiation, the action mechanism of the composition and structure of photocatalyst on adsorption/photocatalytic degradation of antibiotics was investigated. The optimal degradation of antibiotics could be obtained by analyzing the structure-activity relationship. The structure, morphology, and distribution of degradation intermediates of antibiotics could be summarized using situ-spectrum characterizing methods, ascertaining the path for efficiently degrading antibiotics under visible-light irradiation. The degradation mechanism of antibiotics could be revealed by combining the thermodynamic and kinetic studies of antibiotics. The as-synthesized photocatalyst possesses the multifunctional features of carbon doping, metal decorating, double-shelled TiO2, confined effect, and hollow structure, it is expected to achieve the goal of efficient or complete degradation of antibiotics in wastewater under visible-light irradiation by making full use of synergistic effect. The development of this research work not only may establish a new method for controlled synthesis of multifunctional photocatalyst by using double-shelled hollow TiO2 as a support, but also could reveal the path and mechanism of antibiotics degradation efficiently under visible-light irradiation, which is of great academic significance for the construction of the required structure and morphology of photocatalysts for other persistent organic pollutants .

可见光下高效或完全降解废水中抗生素仍然是一个重大的挑战。本项目以双层中空TiO2层间距作为金属纳米粒子的限域空间，构建新型碳掺杂-金属限域双层中空TiO2光催化剂。在可见光照射下，考察光催化剂组成、结构对吸附/光催化降解抗生素的作用机制；通过分析构效关系，获得抗生素降解的最佳效果。运用原位谱学表征等手段，总结抗生素降解的中间体结构、形态和分布，确立可见光高效降解抗生素的路径。结合抗生素的热力学和动力学研究，揭示抗生素的降解机理。所研制的光催化剂集碳掺杂、金属改性、双层TiO2、限域效应以及中空结构等多功能于一体，通过充分发挥协同效应，预计可实现可见光高效或完全降解废水中抗生素的目标。该研究工作的开展，不仅可建立以双层中空TiO2可控合成出多功能光催化剂的新方法，更揭示抗生素可见光高效降解的路径和机理，对于构建其他难降解有机污染物的光催化剂所需结构与形态，将具有重要的学术意义。

可见光下高效或完全降解废水中抗生素如四环素仍然是一个重大的挑战。为此，本项目创造性把限域效应、p-n异质结、中空结构以及双层TiO2结合起来，研制出了一系列以TiO2为基础的光催化剂，并成功地实现了可见光下完全降解废水中抗生素的理想目标。.(1).制备出中空多孔结构的TiO2@Bi2O3@TiO2三元异质结光催化剂，有效地解决了报道光催化剂无法在可见光作用下实现完全降解抗生素的技术难题，并因限域效应的引入极大地提高了其循环稳定性（~100%）。.(2).制备出中空结构的TiO2@Bi2O3多异质结光催化剂，与传统的三元异质结催化剂相比，其可见光降解四环素的活性提高了一倍。随后，我们进一步揭示了多异质结光催化剂可见光完全降解抗生素的机理。.(3).制备出了Bi2O3/Ti3+-TiO2光催化剂，四环素降解实验表明在可见光下能实现四环素的完全降解（100%）。.(4).制备出了中空结构的TiO2/Bi2O3异质结光催化剂，四环素降解实验表明：与传统异质结光催化剂相比，中空结构的引入明显提高了其可见光催化行为，也实现了可见光下四环素的完全降解。.(5).制备出双层中空TiO2-Ag@TiO2限域型光催化剂，研究了其降解污染物的光催化行为，结果表明该催化剂实现了模拟太阳光下完全降解废水中四环素的目标。.(6).制备了碳/氮共掺杂光催化剂（C/N-TiO2），研究了其在可见光和模拟太阳光作用下, 对四环素类的高效光催化降解行为。.(7).实现了一步水热法制备异质结光催化剂，经初步放大可一次性制备出23.9克催化剂，极大地扩展了其应用潜能。.(8).在上述技术的基础上，进一步扩展制备出各种功能性光催化剂如SiO2-Ag/Ag2O@SiO2、SiO2-Cu2O@SiO2、TiO2 {101}/{001}以及C-doped TiO2等，并详细研究了其光电催化行为。. 通过本项目研究，成功制备出一系列高效光催化剂，再结合理论计算，详细研究了光催化剂的组成、结构与性能的构效关系。简明了催化剂与催化底物的相互作用机制，揭示了光催化剂可见光高效和完全降解四环素的机理。此外，本研究还进一步实现了光催化剂的一步合成，为光催化剂在环境污水处理领域提供了详细的实验数据和理论指导。