氯酚類污染物對水域生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅。光催化技術(shù)具有廣闊的凈化前景。采用氣氛調(diào)制法成功地合成了具有混晶特性和氧空位(OVs)的 MXene 衍生 TiO
2納米復(fù)合材料(E-TiO
2@rGO)。與工業(yè) TiO
2和 N
2-TiO
2@rGO (銳鈦礦相)相比，E-TiO2@rGO (0.06874 min-1)在2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-TCP)作用下的降解速率常數(shù)分別提高了4倍和1.3倍。銳鈦礦相和金紅石相的共存是提高光催化性能的主要原因。一方面，混晶相縮小了帶隙，擴(kuò)大了光吸收范圍;。另一方面，它誘導(dǎo)了 OVs 的產(chǎn)生，這已被 DFT 計(jì)算所證實(shí)。OVs 的存在促進(jìn)了 O2和 H2O 分子的吸附和活化，有利于活性自由基的形成。另外，rGO 的加入促進(jìn)了電子-空穴對的分離。2,4,6-TCP 降解的吉布斯自由能顯示，OVs 和混合晶體可以降低速率控制步驟的能量屏障，從而提高2,4,6-TCP 的二氯化效率。超氧自由基(O
2 -)被確定為優(yōu)勢活性物種。最后，闡明了 E-TiO2@rGO 降解2,4,6-TCP 的可能機(jī)理。提出的混晶缺陷工程是光催化劑設(shè)計(jì)與合成的一種新策略。
圖1. (a) Ti3C2Tx MXene，(b) MXene@GO 復(fù)合材料，(c) E-TiO2@rGO 和(d) N2-TiO2@rGO 的 SEM 圖像。(e) E-TiO2@rGO 和(f) N2-TiO2@rGO 的 TEM 圖像。(g) E-TiO2@rGO 和(h) N2-TiO2@rGO 納米片的 HRTEM 圖像。
圖2. (a) XRD 結(jié)果，(b) E-TiO2@rGO 和 N2-TiO2@rGO 的 FT-IR 光譜。
圖3. (a) XPS 測量光譜。催化劑(b) C1 s、(c) O1 s 和(d) Ti2 p 的高分辨 XPS 光譜。
圖4. (a) P25，N2-TiO2@rGO 和 E-TiO2@rGO 的 UV-vis DRS，(b)帶隙能量和(c)帶結(jié)構(gòu)。
圖5. (a) 2,4,6- tcp的光催化實(shí)驗(yàn);(b)合成的催化劑消除2,4,6- tcp的準(zhǔn)一級動力學(xué)。
圖6. (a) pH 對制備的催化劑光降解2,4,6-TCP 的影響。(b) E-TiO2@rGO 和(c) N2-TiO2@rGO 納米片在消除2,4,6-TCP 過程中對環(huán)境陰離子的抗性(陰離子 = 1mmol · L-1)。(d) P25、 E-TiO2@rGO 和 N2-TiO2@rGO 納米片在連續(xù)三個(gè)循環(huán)中的可持續(xù)光催化降解性能的實(shí)驗(yàn)。(e) E-TiO2@rGO 和(f) N2-TiO2@rGO 的自由基猝滅實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件: [2,4,6-TCP ] = 50mg/L，[催化劑] = 0.2 g/L，[清除劑] = 5mM，pH = 7，T = 25 ° C。
圖7. (a d) DMPO-O
2-，(b 和 e) DMPO-OH 和(c 和 f) TEMP-h + 在制備樣品上的 ESR 光譜。
圖8. (a)瞬態(tài)光電流響應(yīng)，(b) EIS 曲線和(c)樣品的時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜。
圖9. (a) E-TiO2@rGO 和(b) N2-TiO2@rGO 納米片上2,4,6-TCP 及其中間體在紫外光催化降解中的濃度變化和積累比。
圖10. (a) TiO2和(b) A/R@TiO2上形成 OVs 的理論計(jì)算。
圖11. 光催化降解2,4,6-TCP 的吉布斯自由能。
圖12. ECOSAR預(yù)測2,4,6- tcp及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物對魚類(a)、水蚤(b)和綠藻(c)的急性和慢性毒性(d)。ECOSAR是一個(gè)估計(jì)水生毒性的計(jì)算機(jī)化預(yù)測系統(tǒng)。
相關(guān)科研成果由鹽城工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院Tianming Chen等人于2024年發(fā)表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148855）上。原文：Crystal defect engineering to construct oxygen vacancies in MXene-derived TiO2 nanocomposites for boosting photocatalytic degradation of 2,4,6-trichlorophenol。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148855
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
