氧化石墨烯调控钼酸铋在可见光下选择性光催化降解环境水中的抗生素

doi:10.7503/cjcu20200423

摘要/Abstract

摘要：

以氧化石墨烯(GO)作为增强光催化剂活性的调节剂, 采用一步水热法制备钼酸铋/氧化石墨烯(Bi₂MoO₆/GO)异质结光催化剂, 其可见光响应拓展至570 nm, 带隙能降至2.56 eV. 当m_Bi2MoO6/m_GO=100∶1时, Bi₂MoO₆/GO(100∶1)光催化剂在可见光的辐射下, 对水溶液中四环素和喹诺酮类抗生素选择性的高效催化降解去除能力为Bi₂MoO₆的2.1倍. Bi₂MoO₆/GO(100∶1)光催化剂活性的提高依赖于范德华力作用下的二维Bi₂MoO₆纳米片-二维GO纳米片界面的紧密接触. 有效的界面接触改善了光生电子的转移和光生载流子的分离. 自由基清除实验结果表明, ?OH起主要作用. 结合高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)法对降解产物的分析, 提出了不同光催化剂催化降解恩诺沙星具有相似的降解途径和降解产物.

关键词: 钼酸铋/氧化石墨烯, 光催化剂, 可见光辐射, 抗生素, 高效液相色谱-质谱

Abstract:

Using graphene oxide as an activity modulator of photocatalyst， a bismuth molybdate/graphene oxide（Bi₂MoO₆/GO） heterojunction was synthesized via one-step hydrothermal method. Using Bi₂MoO₆/GO（m_Bi2MoO6/m_GO=100∶1） as photocatalyst， the visible light response was extended to 570 nm and the band gap energy was reduced to 2.56 eV compared to Bi₂MoO₆. The photodegradation activity with high selectivity of the Bi₂MoO₆/GO（100∶1） for quinolones， sulfonamides and tetracyclines antibiotics in the aqueous solution under visible light irradiation， which is improved by 2.1 times compared to Bi₂MoO₆. The enhancement of photodegradation antibiotics performance is due to addition of appropriate GO， the intimate interfacial contact and large contact area between Bi₂MoO₆ nanosheets and GO nanosheets via van der Waals forces. It is help to make full use of the electron conductivity of GO for transferring the photogenerated electrons and separating the photoproduced carriers. The radical trapping experiments show that ?OH is played a significant role in the photodegradation procedure. Finally， according to the oxidation products detected by high performance liquid chromato-graphy-mass spectrometric（HPLC-MS）， similar degradation pathway and degradation products for the enrofloxacin was proposed compared with the different photocatalyst.

Key words: Bismuth molybdate/graphene oxide（Bi₂MoO₆/GO）, Photocatalyst, Visible light irradiation, Antibiotics, High performance liquid chromatography-mass spectrometric（HPLC-MS）

中图分类号:

O643

TrendMD:

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图/表 8

Fig.1 FTIR spectra(A), XRD patterns(B) and Raman spectra(C) of the prepared Bi2MoO6/GO photocatalystsa. Bi2MoO6/GO(20∶1); b. Bi2MoO6/GO(50∶1); c. Bi2MoO6/GO(100∶1); d. Bi2MoO6/GO(200∶1); e. Bi2MoO6; f. GO.

Fig.2 SEM images of the prepared Bi2MoO6/GO photocatalysts(A) mBi2MoO6/mGO=200∶1; (B) mBi2MoO6/mGO=100∶1; (C) mBi2MoO6/mGO=50∶1; (D) mBi2MoO6/mGO=20∶1.

Fig.3 TEM images of the prepared Bi2MoO6/GO(100∶1) photocatalysts

Table 1 Box-Behnken experiment design with the independent variables

Run	pH	c₀/(mg·L^-1)	m_cat./mg	Antibiotic removal(%)			Run	pH	c₀/(mg·L^-1)	m_cat./mg	Antibiotic removal(%)
Run	pH	c₀/(mg·L^-1)	m_cat./mg	ENR	TC	SMZ	Run	pH	c₀/(mg·L^-1)	m_cat./mg	ENR	TC	SMZ
1	5	5	5	58.89	74.52	0	10	3	5	10	43.51	55.70	0.2
2	5	10	10	66.18	93.84	7.2	11	5	10	10	69.24	94.74	8.0
3	3	10	5	14.59	20.44	0	12	5	10	10	61.75	89.52	7.8
4	7	10	5	24.90	66.33	2.3	13	5	20	5	3.29	5.70	2.4
5	5	20	20	55.33	92.84	3.2	14	7	10	20	92.05	97.18	3.6
6	5	10	10	70.53	94.20	6.8	15	3	20	10	14.58	45.18	3.0
7	5	5	20	99.79	99.80	3.1	16	3	10	20	18.79	44.43	0
8	5	10	10	63.51	90.00	7.3	17	7	20	10	65.51	58.33	3.4
9	7	5	10	94.54	95.76	2.1

Fig.6 Photocatalytic activities of the as-prepared Bi2MoO6 loaded with different contents of GO on antibiotic degradation efficiency

Scheme 1 Schematic diagram showing the energy band structure of perpared Bi2MoO6/GO(100∶1) photocatalysts and related charge transfer processes

Fig.7 Total ion chromatogram of enrofloxacin(ENR) at 20, 40 and 60 min of irradiation in the presence of perpared Bi2MoO6/GO(100∶1) photocatalystsO2 + e- → ?O2- (1)?O2- + 2H+ + e-→ H2O2 (2)H2O2 + e- →?OH + OH- (3)h+ + OH-/H2O→ ?OH (4)

Scheme 2 Possible degradation pathway of ENR on Bi2MoO6/GO(100∶1) photocatalysts

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