碳掺杂六方氮化硼/二硫化钼吸附还原六价铬和助催化降解有机污染物

doi:10.7503/cjcu20210429

摘要/Abstract

摘要：

针对二硫化钼(MoS₂)因易团聚导致去除六价铬[Cr(Ⅵ)]容量低的问题，利用六方氮化硼(BN)良好的吸附性和化学稳定性，以多巴胺作为BN改性剂，通过煅烧法和水热法制得碳掺杂六方氮化硼(c-BN)负载MoS₂纳米复合材料(c-BN@MoS₂). 研究了室温条件下c-BN@MoS₂对Cr(Ⅵ)的吸附还原和助催化降解有机污染物的性能. 实验结果表明， c-BN@MoS₂在40 min内对50 mg/L的Cr(Ⅵ)吸附还原去除率高达95%以上，且以将 Cr(Ⅵ)还原至Cr(Ⅲ)为主，在pH值为2、温度为25 ℃条件下去除Cr(Ⅵ)最大容量可达401 mg/g，显著高于 MoS₂(98 mg/g). 分析显示， c-BN不仅提高了MoS₂的平均孔径，还可促进MoS₂生成金属特性的1T相，有利于吸附Cr(Ⅵ)和加快氧化还原过程中的电子转移. 在Fe²⁺/PMS(过一硫酸氢盐)催化体系加入c-BN@MoS₂，该体系对磺胺甲恶唑的降解性能明显增强，其反应速率常数提高3倍，这主要归因于c-BN@MoS₂明显加快了Fe³⁺到Fe²⁺的转变，导致更多?OH产生，达到增强降解污染物的目标.

关键词: 六方氮化硼, 二硫化钼, 六价铬, 有机污染物

Abstract:

Aiming at the problem of the low Cr（Ⅵ） removal capacity of molybdenum disulfide（MoS₂） due to easy agglomeration， dopamine was used to modify hexagonal boron nitride（BN） with excellent adsorption and chemical stability， and then the carbon doped hexagonal boron nitride supported MoS₂nanocomposite （c-BN@MoS₂） was obtained by calcination and hydrothermal method， improving the dispersion of MoS₂ in the composite materials. The performance of c-BN@MoS₂ on the adsorption and reduction of Cr（Ⅵ） and the synergistic catalytic degradation of organic pollutants were deeply investigated at room temperature. The experimental results indicated that the adsorption reduction removal rate of Cr（Ⅵ） at 50 mg/L by c-BN@MoS₂ was more than 95% within 40 min. The maximum capacity for Cr（Ⅵ） removal could reach 401 mg/g under pH of 2.0 at 25 ℃， which was obviously higher than that of Cr（Ⅵ） by MoS₂（98 mg/g）. This may be attributed to the fact that the introduction of c-BN increased the specific surface area and average pore diameter of MoS₂， promoting the formation of 1T phase of MoS₂， which is conducive to the adsorption of Cr（Ⅵ） and accelerating the electron transfer in the redox process. When c-BN@MoS₂ was introduced into the Fe²⁺/PMS system， the degradation performance of sulfamethoxazole was significantly enhanced， and its reaction rate constant was 4 times as high as that of the Fe²⁺/PMS system， which was mainly due to the fact that c-BN@MoS₂ significantly accelerated the transition from Fe³⁺ to Fe²⁺， resulting in more ·OH production， thereby achieving the enhancement effect of pollutants degradation. This paper opens up a new direction for the treatment of heavy metals and organic pollutants in wastewater by hexagonal boron nitride， and provides a useful reference for the efficient treatment of wastewater pollution.

Key words: Hexagonal boron nitride, Molybdenum disulfide, Hexavalent chromium, Organic contaminant

中图分类号:

O643

TrendMD:

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图/表 8

Scheme 1 Schematic preparation process of c?BN@MoS2

Fig.1 SEM images of different samples(A—D) and c?BN@MoS2(E)， corresponding SEM elemental mappings of C(F)， N (G)， B(H) ， S(I)， Mo(J)(A) BN; (B) c?BN; (C) MoS2; (D) c?BN@MoS2.

Fig.2 XRD patterns(A) and Raman spectra(B) of MoS2， c?BN and c?BN@MoS2

Fig.3 XPS spectra of c?BN@MoS2(A) N1s; (B) Mo3d; (C) S2p; (D) C1s.

Fig.4 Removal rate(A) of Cr(Ⅵ) and removal capacity(B) in different systems, regeneration performance of c?BN@MoS2(C)， removal capacity of Cr(Ⅵ) and Zeta potential at different pH values(D)(A) ［MoS2]=[BN]=[c?BN]=[c?BN@MoS2］=0.5 g/L， pH=2， ρ[Cr(Ⅵ)]=50 mg/L; (B) ［MoS2]=[BN]=[c?BN]=[c?BN@MoS2］=0.5 g/L， pH=2; (C) ［c?BN@MoS2］=0.5 g/L， pH=2， ρ[Cr(Ⅵ)]=50 mg/L; (D) ［c?BN@MoS2］=0.5 g/L， ρ[Cr(Ⅵ)]=250 mg/L.

Fig.5 Cr(Ⅵ) and Cr(Ⅲ) content in solution after test (A)， XPS spectra(B—D) after removal of chromium from c?BN@MoS2(A) ［c?BN@MoS2］=0.5 g/L， pH=2; (B) Cr2p; (C) S2p; (D) Mo3d.

Fig.6 SMX removal under different systems and the corresponding Kobs values(A), reusability of c?BN@MoS2(B)， TOC removal of SMX in the c?BN@MoS2/PMS/Fe2+(C) and removal of different pollutants in the c?BN@MoS2/Fe2+/PMS and Fe2+/PMS(D)c(Pollutants)=20 μmol/L?1; ρ(catalyst)=0.25 g/L， c(Fe2+)=0.04 mmol/L; c(PMS)=0.5 mmol/L.(A) a. c-BN@MoS2/Fe2+/PMS， b. c-BN/Fe2+/PMS， c. MoS2/Fe2+/PMS， d. Fe2+/PMS， e. BN/Fe2+/PMS， f. c-BN@MoS2/PMS， g. c-BN@MoS2.

Fig.7 EPR spectra of DMPO??OH and DMPO?SO4·- in different systems(A)， the variation of Fe2+ and Fe3+ concentrations in the c?BN@MoS2/Fe2+/PMS(B) and PMS/Fe2+(C)， concentrations of Fe2+ in Fe2+/PMS system with different cocatalysts(D)(B), (C) c(Pollutants)=20 μmol/L, ρ(Catalyst)=0.25g/L, c(Fe2+)=0.04 mmol/L, c(PMS)=0.5 mmol/L.

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