一种稳定二维配位聚合物用于光催化还原Cr(VI)及降解有机污染物

王茀学 衣晓虹 王崇臣 邓积光

引用本文: 王茀学,  衣晓虹,  王崇臣,  邓积光. 一种稳定二维配位聚合物用于光催化还原Cr(VI)及降解有机污染物[J]. 催化学报, 2017, 38(12): 2141-2149. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62947-4 shu
Citation:  Fu-Xue Wang,  Xiao-Hong Yi,  Chong-Chen Wang,  Ji-Guang Deng. Photocatalytic Cr(VI) reduction and organic-pollutant degradation in a stable 2D coordination polymer[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(12): 2141-2149. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62947-4 shu

一种稳定二维配位聚合物用于光催化还原Cr(VI)及降解有机污染物

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51578034);北京自然科学基金重点项目暨北京市教委重点项目(KZ201410016018);北京百千万人才工程培养经费(2016023);北京市属高校高层次人才引进与培养计划及创新团队与教师职业发展计划(IDHT20170508).

摘要: 工厂运行过程产生的大量含重金属离子和有机污染物的废水,对环境和人体造成很大的危害.光催化法是一种有效、无二次污染且成本较低的水处理技术,能将有机物分解为生化性强的小分子并降低毒性,甚至完全矿化成二氧化碳和水;此外还能将剧毒的重金属转变为其它低毒或无毒形态,如可将Cr(VI)还原为Cr(Ⅲ),或将As(Ⅲ)氧化为As(V).传统的光催化剂往往面临效率低、重复性差等问题,限制了其实际应用.例如,二氧化钛虽然廉价、毒性低,但巨大的比表面积能使其极易发生团聚,导致活性下降.因此开发超高效光催化活性的催化剂具有重要意义.
本文利用水热法合成了一种新型配位聚合物Zn(bpy)L(BUC-21)(H2L=顺1,3-二苄基咪唑-2-酮-4,5-二羧酸,bpy=4,4'-联吡啶).对BUC-21进行了包括傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重(TGA)、CNH元素分析和紫外-可见漫反射(UV-vis DRS)在内的系列表征,并选择Cr(VI)和四种典型有机染料作为目标污染物探究了BUC-21的光催化性能.
结果表明,BUC-21在340 ℃以下时能保持骨架稳定,其带隙值(Eg)为3.4 eV.紫外光照射30 min后,BUC-21对Cr(VI)还原效率可达到96%,远高于相同条件下的商业二氧化钛P25(39%).此外,BUC-21还能高效降解亚甲基蓝(MB)、罗丹明B(Rh B)、甲基橙(MO)和活性红X-3B(X-3B)等有机染料污染物,其降解速率同样优于P25.比如,在紫外光照射下,P25完全降解X-3B需要21 min,而BUC-21仅需9 min,表明BUC-21具有比P25更好的光催化活性.将BUC-21用于同时光催化还原Cr(VI)与降解X-3B反应,结果表明,较单一污染物组分而言,Cr(VI)还原效率不变而染料降解效率降低.活性物质捕捉实验结果证明,造成上述现象的原因在于Cr(VI)消耗了光生电子,抑制超氧自由基(·O2-)的生成,而·O2-是降解X-3B的主要活性物质.此外,BUC-21具有很好的耐酸耐碱性能,能在pH值为2-12范围内保持稳定,且表现出超高的光催化活性。循环实验表明,BUC-21具有良好的稳定性和重复利用性.

English

    1. [1] W. L. Yang, Y. Liu, Y. Hu, M. J. Zhou, H. S. Qian, J. Mater. Chem., 2012, 22, 13895-13898.

    2. [2] G. D. Chen, M. Sun, Q. Wei, Z. M. Ma, B. Du, Appl. Catal. B, 2012, 125, 282-287.

    3. [3] E. PetersonRoth, M. Reynolds, G. Quievryn, A. Zhitkovich, Mol. Cell. Biol., 2005, 25, 3596-3607.

    4. [4] C. Liu, R. N. Jin, X. K. Ouyang, Y. G. Wang, Appl. Surf. Sci., 2017, 408, 77-87.

    5. [5] A. M. Zayed, N. Terry, Plant Soil, 2003, 249, 139-156.

    6. [6] S. Pipileima, S. Ray, L. Menan Devi, R. Mohan B, G. Srinikethan, B.C. Meikap (Eds.) Materials, Energy and Environment Engineering:Select Proceedings of ICACE 2015, Springer Singapore, Singapore, 2017, 137-144.

    7. [7] C. C. Wang, J. R. Li, X. L. Lv, Y. Q. Zhang, G. S. Guo, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 2831-2867.

    8. [8] D. Z. Shen, J. X. Fan, W. Z. Zhou, B. Y. Gao, Q. Y. Yue, K. Qi, J. Hazard. Mater., 2009, 172, 99-107.

    9. [9] C. C. Wang, X. D. Du, J. Li, X. X. Guo, P. Wang, J. Zhang, Appl. Catal. B, 2016, 193, 198-216.

    10. [10] L. A. M. Ruotolo, J. C. Gubulin, Chem. Eng. J., 2009, 149, 334-339.

    11. [11] F. Rodriguez-Valadez, C. Ortiz-Exiga, J. G. Ibanez, A. Alator-re-Ordaz, S. Gutierrez-Granados, Environ. Sci. Technol., 2005, 39, 1875-1879.

    12. [12] C. Barrera-Díaz, V. Lugo-Lugo, G. Roa-Morales, R. Natividad, S. A. Martínez-Delgadillo, J. Hazard. Mater., 2011, 185, 1362-1368.

    13. [13] C. E. Barrera, J. Hazard. Mater., 2012, 223-224, 1-12.

    14. [14] H. L. Ma, Y. W. Zhang, Q. H. Hu, D. Yan, Z. Z. Yu, M. L. Zhai, J. Mater. Chem., 2012, 22, 5914-5916.

    15. [15] R. D. Ludwig, C. M. Su, T. R. Lee, R.T. Wilkin, S. D. Acree, R. R. Ross, A. Keeley, Environ. Sci. Technol., 2007, 41, 5299-5305.

    16. [16] P. V. A. Padmanabhan, K. P. Sreekumar, T. K. Thiyagarajan, R. U. Satpute, K. Bhanumurthy, P. Sengupta, G. K. Dey, K. G. K. Warrier, Vacuum, 2006, 80, 1252-1255.

    17. [17] J. J. Testa, M. A. Grela, M. I. Litter, Environ. Sci. Technol., 2004, 38, 1589-1594.

    18. [18] L. M. Wang, N. Wang, L. H. Zhu, H. W. Yu, H. Q. Tang, J. Hazard. Mater., 2008, 152, 93-99.

    19. [19] Z. H. Diao, X. R. Xu, D. Jiang, J. J. Liu, L. J. Kong, G. Li, L. Z. Zuo, Q. H. Wu, Chem. Eng. J., 2017, 315, 167-176.

    20. [20] M. N. Chong, B. Jin, C. W. K. Chow, C. Saint, Water Res., 2010, 44, 2997-3027.

    21. [21] H. Tong, S. X. Ouyang, Y. P. Bi, N. Umezawa, M. Oshikiri, J. H. Ye, Adv. Mater., 2012, 24, 229-251.

    22. [22] X. J. Liu, L. K. Pan, T. Lv, G. Zhu, Z. Sun, C. Q. Sun, Chem. Comm., 2011, 47, 11984-11986.

    23. [23] J. F. Qu, D. Y. Chen, N. J. Li, Q. F. Xu, H. Li, J. H. He, J. M. Lu, Appl. Catal. B, 2017, 207, 404-411.

    24. [24] L. X. Yang, Y. Xiao, S. H. Liu, Y. Li, Q. Y. Cai, S. L. Luo, G. M. Zeng, Appl. Catal. B, 2010, 94, 142-149.

    25. [25] W. Zhang, Y. B. Wang, Z. Wang, Z. Y. Zhong, R. Xu, Chem. Comm., 2010, 46, 7631-7633.

    26. [26] H. H. Chen, X. Q. Xiong, L. L. Hao, X. Zhang, Y. M. Xu, Appl. Surf. Sci., 2016, 389, 491-495.

    27. [27] P. Wang, Y. Sheng, F. Z. Wang, H. G. Yu, Appl. Catal. B, 2018, 220, 561-569.

    28. [28] Y. Lu, G. Liu, J. Zhang, Z. C. Feng, C. Li, Z. Li, Chin. J. Catal., 2016, 37, 349-358.

    29. [29] K. L. He, J. Xie, X. Y. Luo, J. Q. Wen, S. Ma, X. Li, Y. P. Fang, X. C. Zhang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 240-252.

    30. [30] D. Z. Lu, W. Q. Chai, M. C. Yang, P. F. Fang, W. H. Wu, B. Zhao, R. Y. Xiong, H. M. Wang, Appl. Catal. B, 2016, 190, 44-65.

    31. [31] L. Shi, X. G. Meng, T. Wang, H. B. Zhang, K. Chang, H. M. Liu, J. H. Ye, Adv. Sci., 2015, 2, 1500006.

    32. [32] M. A. Nasalevich, M. Van Der Veen, F. Kapteijn, J. Gascon, CrystEngComm, 2014, 16, 4919-4926.

    33. [33] A. M. Kirillov, Y. Y. Karabach, M. V. Kirillova, M. Haukka, A. J. L. Pombeiro, Cryst. Growth Des., 2012, 12, 1069-1074.

    34. [34] M. Ranocchiari, J. A. van Bokhoven, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 6388-6396.

    35. [35] S. Horike, Y. Inubushi, T. Hori, T. Fukushima, S. Kitagawa, Chem. Sci., 2011, 3, 116-120.

    36. [36] Z. J. Li, J. Yao, Q. Tao, L. Jiang, T. B. Lu, Inorg. Chem., 2013, 52, 11694-11696.

    37. [37] P. Kanoo, G. Mostafa, R. Matsuda, S. Kitagawa, T. K. Maji, Chem. Commun., 2011, 47, 8106-8108.

    38. [38] A. C. Kizzie, A. G. Wong-Foy, A. J. Matzger, Langmuir, 2011, 27, 6368-6373.

    39. [39] B. Liu, H. Miao, L. Y. Pang, L. Hou, Y. Y. Wang, Q. Z. Shi, CrystEngComm, 2012, 14, 2954-2958.

    40. [40] R. J. Kuppler, D. J. Timmons, Q. R. Fang, J. R. Li, T. A. Makal, M. D. Young, D. Q. Yuan, D. Zhao, W. J. Zhuang, H. C. Zhou, Coord. Chem. Rev., 2009, 253, 3042-3066.

    41. [41] J. J. Li, C. C. Wang, H. F. Fu, J. R. Cui, P. Xu, J. Guo, J. R. Li, Dalton Trans., 2017, 46, 10197-10201.

    42. [42] X. D. Du, C. C. Wang, J. Zhong, J. G. Liu, Y. X. Li, P. Wang, J. Environ. Chem. Eng., 2017, 5, 1866-1873.

    43. [43] D. Chisca, L. Croitor, E. B. Coropceanu, O. Petuhov, G. F. Volodina, S. G. Baca, K. Krämer, J. Hauser, S. Decurtins, S. X. Liu, M. S. Fonari, Cryst. Growth Des., 2016, 16, 7011-7024.

    44. [44] L. P. Zhang, J. F. Ma, J. Yang, Y. Y. Pang, J. C. Ma, Inorg. Chem., 2010, 49, 1535-1550.

    45. [45] J. Wang, Y. H. Zhang, H. X. Li, Z. J. Lin, M. L. Tong, Cryst. Growth Des., 2015, 7, 2352-2360.

    46. [46] S. B. Wang, X. C. Wang, Small, 2015, 11, 3097-3112.

    47. [47] M. Rakibuddin, R. Ananthakrishnan, Appl. Surf. Sci., 2016, 362, 265-273.

    48. [48] W. Y. Huang, N. Liu, X. D. Zhang, M. H. Wu, L. Tang, Appl. Surf. Sci., 2017, 425, 107-116.

    49. [49] R. Y. Zhang, W. C. Wan, D. W. Li, F. Dong, Y. Zhou, Chin. J. Catal., 2016, 38, 313-320.

    50. [50] L. J. Shen, R. W. Liang, L. Wu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2071-2088.

    51. [51] H. M. Zhao, Q. S. Xia, H. Z. Xing, D. S. Chen, H. Wang, ACS Sustain. Chem. Eng., 2017, 5, 4449-4456.

    52. [52] L. J. Shen, W. M. Wu, R. W. Liang, R. Lin, L. Wu, Nanoscale, 2013, 5, 9374-9382.

    53. [53] X. B. Wang, J. Liu, S. Leong, X. C. Lin, J. Wei, B. Kong, Y. F. Xu, Z. X. Low, J. F. Yao, H. T. Wang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 9080-9087.

    54. [54] J. X. Low, S. W. Cao, J. G. Yu, S. Wageh, Chem. Comm., 2014, 50, 10768-10777.

    55. [55] Y. J. Cui, Y. X. Wang, H. Wang, F. Cao, F. Y. Chen, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1899-1906.

    56. [56] M. S. Akple, J. X. Low, Z. Y. Qin, S. Wageh, A. A. Al-Ghamdi, J. G. Yu, S. W. Liu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2127-2134.

    57. [57] Bruker AXS, SMART, Version 5.611, Bruker AXS, Madison, WI, USA, 2000.

    58. [58] Bruker AXS, SAINT, Version 6.28, Bruker AXS, Madison, WI, USA, 2003.

    59. [59] SADABS, V2.03, Bruker AXS, Madison, WI, 2000.

    60. [60] G. M. Sheldrick, SHELX-97, Göttingen University, Germany, 1997.

    61. [61] X. L. Chen, B. Zhang, H. M. Hu, F. Fu, X. L. Wu, T. Qin, M. L. Yang, G. L. Xue, J. W. Wang, Cryst. Growth Des., 2008, 8, 3706-3712.

    62. [62] T. Ma, M. X. Li, Z. X. Wang, J. C. Zhang, M. Shao, X. He, Cryst. Growth Des., 2014, 14, 4155-4165.

    63. [63] C. G. Silva, A. Corma, H. García, J. Mater. Chem., 2010, 20, 3141-3156.

    64. [64] J. L. Wang, C. Wang, W. B. Lin, ACS Catal., 2012, 2, 2630-2640.

    65. [65] J. Guo, J. F. Ma, B. Liu, W. Q. Kan, J. Yang, Cryst. Growth Des., 2011, 11, 3609-3621.

    66. [66] Y. Ku, I. L. Jung, Water Res., 2001, 35, 135-142.

    67. [67] S. J. Yang, J. H. Im, T. Kim, K. Lee, C. R. Park, J. Hazard. Mater., 2011, 186, 376-382.

    68. [68] J. Guo, J. Yang, Y. Y. Liu, J. F. Ma, CrystEngComm, 2012, 14, 6609-6617.

    69. [69] Z. Zhang, J. Yang, Y. Y. Liu, J. F. Ma, CrystEngComm, 2013, 15, 3843-3853.

    70. [70] Y. Park, Y. Na, D. Pradhan, B. K. Min, Y. Sohn, CrystEngComm, 2014, 16, 3155-3167.

    71. [71] X. H. Qi, Z. H. Wang, Y. Y. Zhuang, Y. Yu, J. L. Li, J. Hazard. Mater., 2005, 118, 219-225.

    72. [72] T. Alammar, A. V. Mudring, ChemSusChem, 2011, 4, 1796-1804.

    73. [73] Y. Wu, J. Feng, B. Xie, L. K. Zou, Y. L. Li, Z. Q. Li, J. Inorg. Organ-omet. Polym. Mater., 2017, 27, 1243-1251.

    74. [74] Z. H. Ai, J. L. Wang, L. Z. Zhang, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2145-2154.

    75. [75] X. Y. Tang, Z. C. Fan, C. Wen, Y. H. Hu, W. Y. Yin, H. J. Cheng, Y. S. Ma, R. X. Yuan, Inorg. Chim. Acta, 2016, 451, 148-156.

    76. [76] S. F. Li, X. Wang, Q. Q. He, Q. Chen, Y. L. Xu, H. B. Yang, M. M. Lü, F. Y. Wei, X. T. Liu, Chin. J. Catal., 2016, 37, 367-377.

    77. [77] X. F. Hu, H. H. Ji, F. Chang, Y. M. Luo, Catal. Today, 2014, 224, 34-40.

    78. [78] S. G. Schrank, H. J. José, R. F. P. M. Moreira, J. Photochem. Pho-tobiol. A Chem., 2002, 147, 71-76.

    79. [79] X. Zhao, J. H. Qu, H. J. Liu, C. Hu, Environ. Sci. Technol., 2007, 41, 6802-6807.

    80. [80] Y. S. Cao, J. X. Chen, L. Huang, Y. L. Wang, Y. Hou, Y. T. Lu, J. Mol. Catal. A Chem., 2005, 233, 61-66.

    81. [81] M. Alvaro, E. Carbonell, B. Ferrer, F. X. Llabres Qi Xamera, H. Garcia, Chem. Eur. J., 2007, 13, 5106-5112.

    82. [82] C. Gao, J. Wang, H. X. Xu, Y. J. Xiong, Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 2799-2823.

    83. [83] E. M. Dias, C. Petit, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 22484-22506.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  4
  • 文章访问数:  1244
  • HTML全文浏览量:  109
文章相关
  • 收稿日期:  2017-10-04
  • 修回日期:  2017-10-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章