Cu-ZnIn_%282%29S_%284%29_Ti_%283%29C_%282%29高效光催化还原水中Cr%28Ⅵ%29.pdf
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1、456化工环保ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY2023年第 43卷第 4期废 水 处 理Cu-ZnIn2S4/Ti3C2高效光催化还原水中Cr()刘 坤1,杨 鑫1,茆 平1,孙爱武1,沈锦优2,丁 宁1(1.淮阴工学院 化学工程学院,江苏 淮安 223003;2.南京理工大学 环境与生物工程学院,江苏 南京 210094)摘要 采用水热反应在超薄纳米片Ti3C2上原位生长Cu-ZnIn2S4复合微球,合成出Cu-ZnIn2S4/Ti3C2复合材料,并将其用于可见光下光催化还原水中Cr()(50 mg/L)。表征结果显示:复合材料中的C
2、u主要以单质铜的形式存在,但含量较低;复合材料对可见光的吸收性能较ZnIn2S4显著提升。实验结果表明:得益于Cu的掺杂提高了载流子密度和电荷传输效率以及其直接还原Cr()的性能,光照60 min后Cu-ZnIn2S4对Cr()的去除率可达69.5%,高于ZnIn2S4的44.3%;引入Ti3C2后,复合材料的强界面作用有效延长了光生载流子的寿命,使得光照60 min后Cu-ZnIn2S4/Ti3C2对Cr()的去除率可达100%;Cu-ZnIn2S4/Ti3C2具有良好的循环稳定性。关键词 Cr();光催化还原;ZnIn2S4;Ti3C2;纳米铜负载 中图分类号 X781.1 文献标志码 A
3、 文章编号 1006-1878(2023)04-0456-08 DOI 10.3969/j.issn.1006-1878.2023.04.006Efficient photocatalytic reduction of Cr()from water by Cu-ZnIn2S4/Ti3C2LIU Kun1,YANG Xin1,MAO Ping1,SUN Aiwu1,SHEN Jinyou2,DING Ning1(1.Faculty of Chemical Engineering,Huaiyin Institute of Technology,Huaian 223003,China;2.Schoo
4、l of Environmental and Biological Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)Abstract:Cu ZnIn2S4 composite microsphere was in-situ grown on ultra-thin nanosheet Ti3C2 by hydrothermal reaction to synthesize Cu ZnIn2S4/Ti3C2 composite,and the composite was used for p
5、hotocatalytic reduction of Cr()(50 mg/L)from water under visible light.The characterization results show that:Cu in the composite mainly exists in the form of elemental copper,but its content is low;The visible light absorption performance of the composite is significantly improved compared with tha
6、t of ZnIn2S4.The experimental results show that:Profiting from the increase of carrier density,charge transfer efficiency and direct reduction performance of Cr()by Cu doping,the removal rate of Cr()by Cu-ZnIn2S4 is up to 69.5%after 60 min irradiation,which is higher than 44.3%of ZnIn2S4;After the i
7、ntroduction of Ti3C2,the strong interface effect of the composite effectively extends the lifetime of photo generated charge carriers,resulting in a 100%of Cr()removal rate by Cu-ZnIn2S4/Ti3C2 after 60 min of illumination;And Cu-ZnIn2S4/Ti3C2 has good cyclic stability.Key words:Cr();photocatalytic r
8、eduction;ZnIn2S4;Ti3C2;nano-copper loading 收稿日期 2023-02-14;修订日期 2023-04-04。作者简介 刘坤(1995),男,江苏省连云港市人,硕士,助理工程师,电话 19852568785,电邮 。通讯作者:茆平,电话 0517-83559565,电邮 。基金项目 国家自然科学基金项目(51908240);江苏省自然科学基金项目(BK20181064);江苏高校“青蓝工程”项目(2021年)。在冶金、电镀、制革等工业过程中,常释放出重金属铬污染物,其中六价铬(Cr()的毒性、致癌性以及化学稳定性远高于三价铬(Cr(),对生态环境危害极大
9、1。常见的Cr()处理方法有吸附、膜分离、离子交换、电化学、光催化等,其中光催化技术因操作简单、无二次污染等优点受到广泛关注2-3。然而,TiO2和ZnO等传统光催化剂因可见光激发能力差、稳定性差、活性位点暴露不足等缺陷,导致其光催化性能仍不尽人意4。三元硫化物(如ZnIn2S4,以下简称ZIS)是一种新型的可457第4期见光驱动光催化剂,带隙能可调(2.062.85 eV),其层状结构表现出良好的光催化活性和稳定性,具有广泛的应用前景5。金属掺杂虽可进一步提升其光催化性能6,但针对性能稳定的Cr()的还原,金属掺杂效果仍不理想。MXene(如Ti3C2)是一种新型过渡金属碳化物、氮化物和碳氮
10、化物二维材料,可通过从MAX相材料(一种新型三元层状化合物,由前过渡金属(M)、A族元素(A)以及碳或氮(X)组成,如Ti3AlC2)中选择性蚀刻A元素得到7。由于MXene的层状结构和特殊的表面官能团(OH,O和F),使其表现出优异的亲水性和与其他半导体材料的亲和力,同时MXene拥有优异的电子导电性,便于光生电子的分离和转移8。本工作将ZIS与廉价的Cu和助催化剂Ti3C2复合,考察了复合材料对水中Cr()的可见光光催化还原性能,利用表征分析和光电化学测试研究了其光催化还原机理,并对其光催化活性的提升进行了解释。1 实验部分1.1 试剂钛碳化铝(Ti3AlC2)、六水合硝酸铜(Cu(NO3
11、)26H2O)、二水合醋酸锌(Zn(OAc)22H2O)、四水合氯化铟(InCl3 4H2O)、氟化锂(LiF)、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺、硫代乙酰胺(TAA)、重铬酸钾、乙醇、盐酸:均为分析纯。1.2 光催化剂的制备和表征1.2.1 单层Ti3C2的制备将2 g LiF溶于20 mL 9 mol/L盐酸中,随后边搅拌边加入0.5 g Ti3AlC2粉末,于室温下搅拌反应24 h,得到悬浮液。离心分离,用去离子水洗涤固体至pH大于等于6,于60 下真空干燥12 h。将干燥后的样品再分散于去离子水中,冰浴下超声1 h后3 500 r/min离心1 h。收集上清液,于-50 下冷冻干燥24 h
12、,得到单层Ti3C2。1.2.2 Cu-ZnIn2S4的制备将一定量(0.02,0.10,0.30,0.50 mL)0.1 mol/L Cu(NO3)26H2O溶液分散于25 mL乙二醇和25 mL N,N-二甲基甲酰胺混合溶液中,再依次加入0.50 mmol Zn(OAc)22H2O、1.00 mmol InCl34H2O和2.00 mmol TAA,超声搅拌30 min。随后将上述溶液倒入100 mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,并于180 下加热反应24 h。离心分离,用去离子水和乙醇洗涤固体多次,于60 下真空干燥24 h,得到Cu-ZIS复合材料。将加入0.02,0.10,0.30,
13、0.50 mL Cu(NO3)26H2O溶液制备的复合材料分别记为0.2%Cu-ZIS、1%Cu-ZIS、3%Cu-ZIS和5%Cu-ZIS。为便于比较,通过不添加Cu(NO3)26H2O制备了纯ZIS。1.2.3 Cu-ZIS/Ti3C2的制备Cu-ZIS/Ti3C2的制备流程如图1所示。将一定量(1,5,10 mg)的单层Ti3C2分散于25 mL乙二醇和25 mL N,N-二甲基甲酰胺混合溶液中,依次加入0.01 mmol Cu(NO3)26H2O,0.50 mmol Zn(OAC)22H2O,1.00 mmol InCl34H2O和2.00 mmol TAA,超声搅拌30 min,后续
14、操作同1.2.2节,得到1%Cu-ZIS/Ti3C2复合光催化剂。将加入1,5,10 mg Ti3C2制备的复合光催化剂分别记为1%Cu-ZIS/MX1,1%Cu-ZIS/MX5和1%Cu-ZIS/MX10。1.2.4 光催化剂的表征采用配备Cu K辐射源的X射线衍射仪(XRD)(AXS公司,Brucker-D8型)对样品进行物相分析。采用X射线光电子能谱仪(XPS)(Thermo公司,Escal AB 250型)获取材料的表面元素信息,用C 1s的结合能(284.6 eV)校准其他结合能。采用扫描电子显微镜(SEM)(日立公司,S-4800型)对样品进行微观形貌表征。采用全谱直读电感耦合等离
15、子体发射光谱仪(ICP)(PE公司,OPTIMA7000DV型)测定样品中各元素的含量。采用紫外-可见分光光度计(UV-Vis)(Varian公司,Cary 300型)测试样品的光吸收性能。采用荧光光谱仪(PL)(Edinburgh Instruments公司,FLS980型)考察样品的电子-空穴对分离状况。采用电化学工作站(北京华科普天公司,CHI660E型)分析样品的光电化学性能。?Ti3C2Zn2+Cu2+Cu-ZISIn3+?180?图1 Cu-ZIS/Ti3C2的制备流程刘 坤等.Cu-ZnIn2S4/Ti3C2高效光催化还原水中Cr()4582023年第 43卷化工环保ENVIRO
16、NMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY1.3 光催化实验方法将12.5 mg制备好的样品加入到50 mL质量浓度为50 mg/L的Cr()溶液中,除分析pH影响的实验外,其他实验的初始pH均为7。在暗室条件下搅拌60 min,达到吸附平衡,再利用氙灯(300 W,波长大于420 nm)进行可见光照射。每隔一段时间取5 mL悬浮液,用0.22 m滤膜过滤去除杂质后,采用二苯碳酰二肼分光光度法9测定Cr()浓度,根据Cr()的测定结果和初始浓度计算其去除率。2 结果与讨论2.1 光催化剂的表征结果2.1.1 SEM利用SEM研究了光催化剂的微观结构和形貌,结
17、果如图2所示。ZIS呈现出由片状组成的直径约400 nm的微球花状结构(图2a)。随着Cu掺杂进ZIS(图2b2d),Cu-ZIS复合材料基本仍保持微球结构,但片层间逐渐布有颗粒,当硝酸铜溶液用量增至0.50 mL时片层间已充满颗粒。图2e表明,经刻蚀得到片状的Ti3C2。当复合Cu和ZIS后(图2e),Ti3C2片状表面变得粗糙,局部放大图可以看出其表面布满了Cu-ZIS球状结构。这是因为Ti3C2表面带负电和不同的官能团,使其具有亲水性10,导致其能够固定溶液中的阳离子(In3+、Zn2+和Cu2+);而Ti3C2的层状结构可使金属离子在其表面被吸附,随后向更深的插层位置扩散;同时,TAA
18、的S2-与吸附的In3+和Zn2+发生反应,使得Cu-ZIS微球原位生长于Ti3C2上。100 nm100 nm100 nm100 nm10 m200 nmabcdef150 m图2 光催化剂的SEM照片a ZIS;b 0.2%Cu-ZIS;c 1%Cu-ZIS;d 5%Cu-ZIS;e Ti3C2;f 1%Cu-ZIS/MX52.1.2 XRD利用XRD分析了光催化剂的晶体结构,结果如图3所示。图3a中,经LiF和HCl混合溶液刻蚀处理后,Ti3AlC2位于39 的特征衍射峰消失,表明Ti3AlC2中的Al元素被去除;Ti3AlC2(002)晶面对应的9.6 峰向低角度偏移,转变为Ti3C2
19、(002)晶面对应的8.9 峰,进一步证明Ti3AlC2已成功转化为Ti3C211。图3a和图3b中,21.5 和47.1 的衍射峰属于ZIS的特征峰(JCPDS 65-2023),但由于Cu和Ti3C2的掺杂量较低,与ZIS相比,Cu-ZIS和Cu-ZIS/MX5复合材料的XRD谱图未见明显变化12。0102030405060708090aTi3AlC2Ti3C22/()b5?Cu-ZIS1?Cu-ZIS0.2?Cu-ZIS3?Cu-ZISZIS01020304050607080902/()?1?Cu-ZIS-MX51?Cu-ZIS-MX51?Cu-ZISZISc01020304050607
20、080902/()图3 光催化剂的XRD谱图459第4期2.1.3 XPS和ICP利用XPS分析了光催化剂表面的元素组成,结果如图4所示。由图可知,Cu和Ti3C2被成功掺杂到ZIS中。随着Cu和Ti3C2的掺杂,S 2p的结合能从162.8 eV蓝移到162.4 eV,In 3d的结合能从445.5 eV、453.0 eV分别蓝移到445.1 eV、452.7 eV和444.9 eV、452.5 eV,Zn 2p的结合能从1 044.8 eV、1 021.8 eV分别蓝移到1 044.4 eV、1 021.4 eV和1 044.2 eV、1 021.2 eV,这表明掺杂的金属元素与ZIS发生
21、了强烈的界面相互作用。Cu 2p谱图中:较小的峰面积表明掺杂量较低;此外,Cu峰的结合能位置表明,复合材料中的Cu主要以单质铜为主10,13。利用ICP测定了1%Cu-ZIS/MX5中各金属元素的含量,经计算样品中Cu、Ti3C2和ZnIn2S4的质量分数分别为1.38%、5.83%和92.79%。4664644624604584564541?Cu-ZIS/MX5Ti 2p459.1 eV965960955950945940935930925Cu 2p1?Cu-ZIS1?Cu-ZIS/MX5951.3 eV942.1 eV931.9 eV1 050 1 045 1 040 1 035 1 03
22、0 1 025 1 020 1 015Zn 2p1 044.8 eV1 021.8 eV1 021.4 eV1 021.2 eV1 044.2 eV1 044.4 eV1?Cu-ZIS/MX51?Cu-ZISZIS456 454 452 450 448 446 444 442 440 438 436In 3d445.5 eV453.0 eV452.7 eV445.1 eV444.9 eV452.5 eV1?Cu-ZIS/MX51?Cu-ZISZIS170168166164162160158162.4 eVS 2p162.8 eV162.4 eV1?Cu-ZIS/MX51?Cu-ZISZIS80
23、060040020001 400 1 200 1 0001?Cu-ZIS/MX51?Cu-ZIS?/eV?/eV?/eV?/eV?/eV?/eVZIS?图4 光催化剂的XPS谱图2.1.4 UV-Vis DRS利用UV-Vis DRS(紫外-可见漫反射光谱)对光催化剂的捕光性能进行了测试,结果如图5所示。味着Cu-ZIS复合光催化剂可能具有更强的光能利用率。继续引入Ti3C2后,吸光性能得到进一步提升,这归因于Ti3C2的全光谱吸收和独特的分层分支结构15。2.2 光催化性能评价考察了不同光催化剂对Cr()的可见光催化还原能力,结果如图6所示。300400500600700800ZIS1?Cu
24、-ZIS1?Cu-ZIS/MX5Ti3C2?/nm图5 光催化剂的UV-Vis DRS谱图由于Ti3C2的颜色较深,因而其在可见光波段范围(300800 nm)表现出较高的吸收带14。纯ZIS仅在550 nm以下区域有较强的吸收带。当Cu掺杂进ZIS后,样品颜色逐渐由黄色变为红色,因而在510800 nm范围内的吸光性能明显增强,这意?/minTi3C2?ZIS0.2?Cu-ZIS1?Cu-ZIS 3?Cu-ZIS5?Cu-ZIS1?Cu-ZIS/MX11?Cu-ZIS/MX51?Cu-ZIS/MX10-60-40-20020406080100120204060801000图6 不同光催化剂对
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