基于酚类污染废水光解的石墨烯载量子点复合光催化剂的可控合成/光解界面行为及光降解增强活性机理研究

The special optical performance of quantum dots is generated by the nano size, and composited the multi-layer structure of graphene which enhanced the photocatalytic activity and stabilization are important to the composited photocatalysts of quantum dots and graphene. In this work, the composited photocatalysts of quantum dots and graphene which used to degrade the phenol pollutant will be prepared by hydrothermal or microwave or ultrasound, et al. The mechanism of different quantum dots (carbon/silicon/zinc/cadmium series quantum dots) composited graphene, the surface properties of the graphene, the transferred processes of photoelecrtons in the interface, the relative of photocatalytic activity to the stabilization and structure, the thermodynamics and dynamics of photocatalytic process for degradation of phenol pollutants will be investigated. It will be further illuminated the enhanced photocatalytic mechanism of composited photocatalysts, and established the model of degradation on phenol pollutant. And also will be explained the science issue of the interface by the structure-function relationship, and explore the mechanism of solution for the practical application with the composited photocatalysts.

量子点纳米化所产生的特殊光学性能与石墨烯基材料独特多维结构协同作用，对于增强量子点-石墨烯复合光催化剂的光催化活性及稳定性具有重要意义。本课题拟酚类污染废水为研究对象，利用水热、微波等技术制备量子点-石墨烯基复合光催化材料。研究不同类型量子点（碳/硅/锌/镉系）与石墨烯基材料复合界面机制及构筑行为对复合材料的结构影响；研究石墨烯基材料表面特性与量子点特点对复合光催化剂的构建行为和光催化活性的影响；研究石墨烯-量子点复合材料光催化过程中电子的传输机制和界面传递行为及其稳定性与结构及光催化活性之间的关系；研究光催化降解酚类污染物的热/动力学过程及相关的理论问题。阐明石墨烯-量子点复合光催化材料的活性和稳定性增强机制，建立光催化降解酚类污染物的模型；尝试从构效关系及界面理论解释存在的科学问题；深入对光催化降解的理论问题探索，从理论上指导和解决石墨烯-量子点复合光催化剂在实践应用中存在的问题。

酚类及其衍生物在除草剂、杀虫剂、木材防腐剂等领域具有广泛的应用。但是，酚类残留物对环境、生物以及人类都具有较大的危害。有效处理酚类污染物对于可持续发展和环境保护具有重要的意义。光催化技术通过光激发半导体产生的活性自由基来降解有机污染物，具有操作简单、绿色环保、能耗低等优点。但是，光响应范围不足、电子-空穴复合率高、稳定差等缺点限制了现有光催化材料的广泛应用。量子点所产生的特殊光学性能与石墨烯基材料独特多维结构协同作用，对于增强量子点-石墨烯复合光催化剂的光催化活性及稳定性具有重要的作用。因此，本课题以酚类污染废水为研究对象，制备了CdSe-rGO、N-ZnO/CdS/GO、Ag@CdSe-rGO、CQDs/CdSe-rGO、AgInS2QDs-MoS2/GO、CQDs/CdIn2S4/N-rGO、Ag/Ag2S/rGO、rGO/AgBr/g-C3N4、rGO/Ag2S/CN等一系列量子点-石墨烯基复合光催化材料用于酚类污染物的降解。研究了碳/镉系量子点与石墨烯复合材料界面形成机制及构筑行为对复合材料的结构影响；石墨烯基材料表面特性与量子点特性对复合光催化剂的构建行为和光催化活性的影响；石墨烯-量子点复合材料光催化过程中电子的传输机制和界面传递行为、其结构与光催化活性之间的关系；光催化降解酚类污染物的热/动力学过程及相关的理论问题。所制备的PCN/AgBr/rGO和CdTe/CdS/N-rGO复合材料对2,4-二氯苯酚的降解率分别达到68.2%和70%；通过优化结构和引入量子点，2D/2D CdIn2S4/N-rGO多维异质结复合材料和CQDs/CdIn2S4/N-rGO复合材料对2,4-二氯苯酚的降解率可达80%。捕获实验和ESR证实了•O2−、h+和•OH在2,4-二氯苯酚的降解中都起着重要作用。反应过程中，溶解于水溶液中的O2分子与光生电子反应形成•O2−物种，该物种参与2,4-二氯苯酚的降解反应。同时，部分•O2−继续和光生电子和水反应生成H2O2，而H2O2分子与光生电子反应产生OH−和•OH自由基物种，•OH自由基也参与到降解反应的过程。该项目阐明了石墨烯-量子点复合光催化材料的活性和稳定性增强机制；并从构效关系及界面理论解释了有机污染物降解过程中的一系列科学问题；可从理论上指导石墨烯-量子点复合光催化剂在实践应用中存在的问题。