As(III)在二氧化钛表面的光促吸附机制

Arsenic pollution is of fatal risk to the ecological environment. TiO2 is a promising adsorbent for the removal of arsenic species in traced level, and has draw extensive attention recently. Hydroxyl groups greatly affect the adsorption of arsenite (As(Ⅲ)) on TiO2 under UV irradiation, which spurs considerable research efforts. We proposed to hydroxyl effect on the adsorption of As (III) speceis employing isotopic labeling of resonance Raman spectroscopy, XAFS and XPS on UV/TiO2 system. We will also examine the transformation of oxygen atom and surface hydroxyl during the oxidation of As(Ⅲ) to As(Ⅴ).The proposed work has great significance in the adsorption of arsenic (multivalent metalloid), providing reference for the photocatalysis and adsorption of multivalent metal ions such as Cu(Ⅱ) and Cr(Ⅵ); It will provide fundamental basis for the development of high performance adsorbent which can be used in the removal of trace level heavy metals and metalloids in waters, and then expand the applications of photocatalytic technology in adsorption.

砷污染对生态环境造成了严重的影响，因TiO2对水体中痕量砷具有很好的吸附能力，故而成为近年来受到广泛重视的一种新型除砷吸附材料。紫外光照促进As(Ⅲ)在TiO2表面吸附过程中，表面羟基的作用是非常值得深入研究的问题。借助同位素标记共振拉曼光谱、XAFS、XPS等现代分析仪器手段，研究As(Ⅲ)吸附过程中表面羟基的作用；研究UV/ TiO2系统下As(Ⅲ)→As(Ⅴ)氧化过程中氧原子的转移规律，探索表面羟基对氧化过程的影响；验证As(Ⅲ)氧化/吸附过程中表面羟基的活性中心作用，阐明As(Ⅲ)在TiO2上的光促吸附的机制。为水体系中砷的吸附，以及Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)等其它多价态重金属离子的光催化吸附机制研究提供借鉴，为去除水体中痕量重金属、类金属杂质元素的高性能吸附材料研发提供理论依据，拓展光催化技术在吸附领域中的应用。

本项目研究了As(III)氧化/吸附过程中表面羟基的活性中心作用，阐明As(III)在TiO2上的光促吸附的机制。该项工作的重要意义还在于，以该理论成果为基础，为Cr(VI)等其它多价态重金属离子的光催化吸附机制研究提供了指导借鉴。.研究表明：（1）采用无模板法制备了核-壳结构3D-TiO2纳米颗粒材料，其中壳结构是由结晶度高的金红石相刺状结构构成，核结构是由低结晶度金红石相和无定形TiO2纳米颗粒构成。（2）在UV/TiO2系统中，紫外光照可以提升TiO2表面的羟基功能基团密度，但是这部分羟基为非稳定吸附位点，具有高反应活性和低热力学稳定性。紫外光照射促进了As(III)由双齿配位向单齿配位的转化，晶体缺陷处的-H2O/-OH在催化氧化过程中起直接作用。（3）开展了紫外光下As(III)光催化氧化的机理探讨，考察了电子捕获剂、空穴捕获剂和羟基自由基捕获剂对As(III)吸附过程以及无催化剂时光照自氧化的影响，确定了所选捕获剂的作用单一性，定性了主氧化剂；探讨了捕获剂组合使用相互制衡机制，明确了自氧化、As(III)光响应自氧化等氧化方式对光催化氧化的影响。（4）开展了砷在钛铁双金属改性蒙脱土复合物上的吸附过程研究，紫外光照下,羟基自由基在As(III)的氧化过程起主要作用，As(III)和As(V)分别以单齿和双齿的形式吸附到二氧化钛及其复合材料表面。（5）制备了具有可见光响应性能的还原氧化石墨烯（rGO）负载锰离子掺杂TiO2复合光催化剂，探究了其在可见光下对水溶液中铬离子的吸附光催化效率和机理。rGO和Mn-TiO2通过协同作用对六价铬进行光催化吸附，达到高效除铬目的，生成的三价铬被吸附在石墨烯上进而释放了Mn-TiO2上的吸附光催化活性位点，从而使除铬过程始终保持较高效率。（6）以3D-TiO2为基材，制备了对水体中I-的高效吸附复合材料，材料通过“吸附-催化-再吸附”三个步骤协同实现，3D Ag/TiO2在可见光下对I-的光催化协同作用将Ag2O对I-的吸附作用放大了4.4倍。.本项目的研究为去除水体中痕量重金属、类金属元素的高性能吸附材料研发提供理论依据，拓展光催化在吸附技术领域中的应用。