基于氧空位调控的磷酸铋/亚纳米铜复合光催化剂对水中硝酸盐的光催化还原增效机制研究
批准号:
52100178
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王大伟
依托单位:
学科分类:
环境污染治理与修复
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王大伟
中文摘要
开发有效的硝酸盐脱除技术对我国地表水污染防治具有重要意义。将光催化还原技术用于硝酸盐去除已受到广泛关注,但催化剂效率的进一步提高和对外源空穴捕获剂的依赖性是该技术发展面临的主要问题。本研究拟利用光催化法调控磷酸铋的氧空位以构建其与亚纳米级铜颗粒耦合的复合催化剂,用于水中硝酸盐的高效光催化还原脱除及还原产物的有效调控。首先依据密度泛函理论计算态密度和能级以优化复合催化剂的构建,系统表征材料的理化界面特性,并阐述材料构成组分及尺寸效应对其还原性能的耦合作用机制;随后识别影响硝酸盐光催化还原的主导环境因子,论证天然有机质作为内源空穴捕获剂的可行性并阐明其参与机制;进一步分析中间产物和特征自由基,阐述多环境因子共存与复合催化剂的构成组分对硝酸盐光催化还原的协同作用机理,并利用顺序速率检测法建立多环境因子共存下硝酸盐光催化还原的反应动力学方程,为地表水中硝酸盐的污染防治提供理论基础和技术支持。
英文摘要
An efficient approach for nitrate removal is important for the pollution control in surface water. Photocatalytic reduction of nitrate has been studied widely. However, its application has been limited by the relatively low efficiency of photocatalyst and the dependence on hole scavengers. To address these issues, a composite photocatalyst of oxygen vacancy mediated BiPO4 and Cu sub-nanoparticles will be fabricated. The composite will be evaluated by Density Functional Theory and characterized comprehensively, while the oxygen vacancies will be manipulated through a photocatalytic method. The effect of catalyst composition and size on the photocatalytic reduction rate and final product species will be studied. Key environmental factors that may affect the photocatalytic reduction of nitrate will also be identified. Moreover, the feasibility of natural organic matters as hole scavengers will be evaluated. By measuring the intermediates and final products from the photocatalytic reduction of nitrate, the roles of BiPO4, Cu, oxygen vacancy, and natural organic matters will be studied. A kinetic model of this process will be given based on a method named Sequential Rate Technique. It is hoped that this study can provide insights for nitrate pollution control, especially for the development of photocatalytic reduction of nitrate.
开发高效的硝酸盐脱除技术对水污染防治至关重要,光催化还原技术虽受广泛关注,但催化剂效率对外源空穴捕获剂的依赖成为技术发展的瓶颈之一。本项目针对目前硝酸盐光催化还原技术发展面临的光催化剂效率较低和外源空穴捕获剂依赖程度较高的两个问题开展研究工作,主要研究内容为:①BiPO4复合光催化剂还原硝酸盐的增效机制;②天然铁矿与天然有机质耦合作用下的光驱硝酸盐转化效应。.研究前期验证了磷酸铋对硝酸盐的光催化还原效果,重点论证了天然有机质(NOM)作为内源空穴捕获剂的可行性。在BiPO4对水体中硝酸盐的还原增效机制的研究中发现BiPO4具有较高的光催化硝酸盐还原活性,并且在光催化硝酸盐还原反应中,使用甲酸作为空穴捕获剂,可将硝酸盐还原为氨氮(NH4+)及亚硝酸根(NO2-)。此外,研究还考察了腐殖酸在硝酸盐还原过程中的作用。结果表明,腐殖酸不仅能作为空穴捕获剂促进硝酸盐的还原,还可能导致硝酸盐浓度的上升,影响硝酸盐还原的反应机制。在此基础上进一步研究了自然水体中外源矿物在NOM共存条件下如何实现硝酸盐的光催化转化,重点识别了NOM在此过程中的参与机制和贡献程度。研究结果显示天然铁矿(α-Fe2O3)的引入会加速NO3-的还原,并且在该过程中抑制了NO2-的形成,促进了NH4+的生成,阻碍了FA的矿化。对活性物质的捕获和羟基自由基(•OH)的定量实验表明,α-Fe2O3和NO3-均提高了•OH的产率,NO3-还原主要归因于e-和CO2•-,e-占主导作用,FA作为空穴清除剂提高了α-Fe2O3对NO3-的还原效率。.本项目的研究揭示了BiPO₄催化剂在水体中硝酸盐还原的增效机制,研究了天然铁矿与腐殖酸耦合作用对水体中硝酸盐还原的影响,为理解水体中各物质的光化学反应提供了新的视角。研究可为地表水硝酸盐污染防治提供理论基础和技术支持,对天然水体中碳和氮转化路径调控指明了一定的方向,并对生态环境修复具有重要意义。
MIL-96(Al)晶面调控诱导的“吸附-共沉淀”强化除氟机制研究
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批准号:52370072
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项目类别:面上项目
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资助金额:50万元
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批准年份:2023
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负责人:王大伟
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依托单位:
国内基金
海外基金