Efficient Degradation of Tetracycline via Coupling of Photocatalysis and Photo-Fenton Processes over a 2D/2D α-Fe2O3/g-C3N4 S-Scheme Heterojunction Catalyst

Wenliang Wang Haochun Zhang Yigang Chen Haifeng Shi

Citation:  Wenliang Wang, Haochun Zhang, Yigang Chen, Haifeng Shi. Efficient Degradation of Tetracycline via Coupling of Photocatalysis and Photo-Fenton Processes over a 2D/2D α-Fe2O3/g-C3N4 S-Scheme Heterojunction Catalyst[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(7): 2201008-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202201008 shu

具有光催化与光芬顿反应协同作用的2D/2D α-Fe2O3/g-C3N4 S型异质结用于高效降解四环素

    通讯作者: 陈义钢, wuxichen2512@njmu.edu.cn
    史海峰, hfshi@jiangnan.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22136002

    国家自然科学基金 22172064

    中央高校基本科研业务费 JUSRP51716A

    南京大学固体微结构国家重点实验室开放课题 M34047

    无锡转化医学中心项目 2020ZHYB10

    无锡市卫健委重大科研项目 Z201901

摘要: 构建具有高效电荷迁移效率和丰富活性位点的异质结光催化体系是提升光芬顿反应速率的有效途径。本研究通过简单的水热法合成了2D/2D结构的α-Fe2O3/g-C3N4 S型异质结光芬顿催化剂,并使用X射线衍射仪技术(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换红外吸收光谱(FTIR)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等分析手段对α-Fe2O3/g-C3N4的晶体结构、微观结构、化学组分和光学性质进行了详细的表征。通过在可见光照射下降解四环素,评测了α-Fe2O3/g-C3N4的催化活性。结果表明,光催化反应与芬顿反应的协同作用使α-Fe2O3/g-C3N4 (1 : 1)展现出了优异的光芬顿催化活性:在可见光照射下,仅加入微量的双氧水便可辅助催化剂在20 min内对四环素的降解率达到78%,其降解速率分别是单一的α-Fe2O3和g-C3N4的3.5倍和5.8倍。α-Fe2O3/g-C3N4复合材料优异的催化活性得益于在2D/2D S型电荷迁移机制上构建的光芬顿催化体系。2D/2D S型异质结能够显著促进电子和空穴的传输与分离,并为催化剂提供较大的比表面积和丰富的活性位点,同时还能保持复合材料最佳的氧化还原能力。此外,光催化反应促进了Fe3+的还原,从而加速了芬顿反应中羟基自由基的产生。总之,本研究为构建高效、稳定的光芬顿催化体系提供了一条简单有效的途径。

English

    1. [1]

      Shi, H. Y.; Li, Y.; Wang, X. F.; Yu, H. G.; Yu, J. G. Appl. Catal. B Environ. 2021, 297, 120414. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120414

    2. [2]

      熊壮, 侯乙东, 员汝胜, 丁正新, 王伟俊, 汪思波. 物理化学学报, 2022, 38, 2111021. doi: 10.3866/PKU.WHXB202111021Xiong, Z.; Hou, Y. D.; Yuan, R. S.; Ding, Z. X.; Ong, W. J.; Wang, S. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2111021. doi: 10.3866/PKU.WHXB202111021

    3. [3]

      Shi, H. F.; Chen, G. Q.; Zou, Z. G. Appl. Catal. B: Environ. 2014, 156–157, 378. doi: 10.1016/j.apcatb.2014.03.036

    4. [4]

      沈荣晨, 郝磊, 陈晴, 郑巧清, 张鹏, 李鑫. 物理化学学报, 2022, 38, 2110014. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110014Shen, R. C.; Hao, L.; Chen, Q.; Zheng, Q. Q.; Zhang, P.; Li, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2110014. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110014

    5. [5]

      Ye, J. W.; Cheng, B.; Yu, J. G.; Ho, W. K.; Wageh, S.; Al-Ghamdi, A.A. Appl. Catal. B Environ. 2022, 430, 132715. doi: 10.1016/j.cej.2021.132715

    6. [6]

      刘鼎, 许宜铭. 物理化学学报, 2008, 24, 1584. doi: 10.1016/S1872-1508(08)60066-2Liu, D.; Xu, Y. M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2008, 24, 1584. doi: 10.1016/S1872-1508(08)60066-2

    7. [7]

      Fu, J. W.; Xu, Q. L.; Low, J. X.; Jiang, C. J.; Yu, J. G. Appl. Catal. B Environ. 2019, 243, 556. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.11.011

    8. [8]

      刘珊池, 王凯, 杨梦雪, 靳治良. 物理化学学报, 2022, 38, 2109023. doi: 10.3866/PKU.WHXB202109023Liu, S. C.; Wang, K.; Yang, M. X.; Jin, Z. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2109023. doi: 10.3866/PKU.WHXB202109023

    9. [9]

      Lu, M. F.; Li, Q. Q.; Zhang, C. L.; Fan, X. X.; Li, L.; Dong, Y. M.; Chen, G. Q.; Shi, H. F. Carbon 2020, 160, 342. doi: 10.1016/j.carbon.2020.01.038

    10. [10]

      Xia, B. Q.; Yang, Y.; Zhang, Y. Z.; Xia, Y.; Jaroniec, M.; Yu, J. G.; Ran, J. R.; Qiao, S. Z. Chem. Eng. J. 2022, 431, 133944. doi: 10.1016/j.cej.2021.133944

    11. [11]

      Yu, Q. N.; Li, G. Q.; Zhang, F. Catal. Sci. Technol. 2019, 9, 5333. doi: 10.1039/c9cy01482a

    12. [12]

      Vignesh, S.; Eniya, P.; Srinivasan, M.; Sundar, J. K.; Li, H.; Jayavel, S.; Pandiaraman, M.; Manthrammel, M. A.; Shkir, M.; Palanivel, B. J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9, 105996. doi: 10.1016/j.jece.2021.105996

    13. [13]

      Zhong, B.; Kuang, P. Y.; Wang, L. X.; Yu, J. G. Appl. Catal. B Environ. 2021, 299, 120668. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120668

    14. [14]

      Cao, S. W.; Shen, B. J.; Tong, T.; Fu, J. W.; Yu, J. G. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1800136. doi: 10.1002/adfm.201800136

    15. [15]

      Chen, X. X.; Zhang, J.; Huang, C. P.; Wu, Q.; Wu, J.; Xia, L. G.; Xu, Q. J.; Yao, W. F. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 54619. doi: 10.1021/acsami.0c15236

    16. [16]

      Nicewicz, D. A.; Nguyen, T. M. ACS Catal. 2014, 4, 355. doi: 10.1021/cs400956a

    17. [17]

      Vignesh, S.; Suganthi, S.; Sundar, J. K.; Raj, V.; Devi, P. R. I. Appl. Surf. Sci. 2019, 479, 914. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.02.064

    18. [18]

      Vignesh, S.; Suganthi, S.; Sundar, J. K.; Raj, V. J. Ind. Eng. Chem. 2019, 76, 318. doi: 10.1016/j.jiec.2019.03.056

    19. [19]

      Shanmugam, V.; Jeyaperumal, K. S.; Mariappan, P.; Muppudathi, A. L. New J. Chem. 2020, 44, 13182. doi: 10.1039/d0nj02101f

    20. [20]

      Cai, P. F.; Liu, T.; Zhang, L. Y.; Cheng, B.; Yu, J. G. Appl. Surf. Sci. 2020, 504, 144501. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.144501

    21. [21]

      Low, J. X.; Cheng, B.; Yu, J. G. Appl. Surf. Sci. 2017, 392, 658. doi: 10.1016/j.apsusc.2016.09.093

    22. [22]

      Li, B. S.; Lai, C.; Zeng, G. M.; Qin, L.; Yi, H.; Huang, D. L.; Zhou, C. Y.; Liu, X. G.; Cheng, M.; Huang, F. L.; et al. Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 18824. doi: 10.1021/acsami.8b06128

    23. [23]

      Fan, K.; Chen, H.; He, B. W.; Yu, J. G. Chem. Eng. J. 2020, 392, 123744. doi: 10.1016/j.cej.2019.123744

    24. [24]

      Wu, H. Y.; Peng, J. H.; Sun, H. C.; Ruan, Q. S.; Dong, H. F.; Jin, Y. H.; Sun, Z. M.; Hu, Y. H. Chem. Eng. J. 2022, 432, 134339. doi: 10.1016/j.cej.2021.134339

    25. [25]

      Pan, J.; Li, Y. J.; Guo, G. X.; Zhao, X. F. Yu, J.; Li, Z.; Xu, S. C.; Man, B. Y.; Wei, D. M.; Zhang, C. Appl. Surf. Sci. 2022, 577, 151811. doi: 10.1016/j.apsusc.2021.151811

    26. [26]

      Shi, H. F.; Li, X. K.; Wang, D. F.; Yuan, Y. P.; Zou, Z. G.; Ye, J. H. Catal. Lett. 2009, 132, 205. doi: 10.1007/s10562-009-0087-8

    27. [27]

      Dou, X. C.; Zhang, C. L.; Shi, H. F. Sep. Purif. Technol. 2022, 282, 120023. doi: 10.1016/j.seppur.2021.120023

    28. [28]

      Dou, X. C.; Chen, Y. G.; Shi, H. F. Chem. Eng. J. 2022, 431, 134054. doi: 10.1016/j.cej.2021.134054

    29. [29]

      Chen, Y. K.; Fang, J. J.; Dai, B. Y.; Kou, J. H.; Lu, C. H.; Xu, Z. Z. Appl. Surf. Sci. 2020, 534, 147640. doi: 10.1016/j.apsusc.2020.147640

    30. [30]

      Liu, Q. D.; Hou, J.; Wu, J.; Miao, L. Z.; You, G. X.; Ao, Y. H. J. Hazard. Mater. 2022, 423, 127063. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.127063

    31. [31]

      Ren, K. X.; Lv, M. S.; Xie, Q. J.; Zhang, C. L.; Shi, H. F. Carbon 2022, 186, 355. doi: 10.1016/j.carbon.2021.10.050

    32. [32]

      Li, Q. Q.; Zhao, W. L.; Zhai, Z. C.; Ren, K. X.; Wang, T. Y.; Guan, H.; Shi, H. F. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 216. doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.038

    33. [33]

      Florent, M.; Giannakoudakis, D. A.; Bandosz, T. J. Appl. Catal. B: Environ. 2020, 272, 119038. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119038

    34. [34]

      Shanmugam, V.; Muppudathi, A. L.; Jayavel, S.; Jeyaperumal, K. S. Arab. J. Chem. 2020, 13, 2439. doi: 10.1016/j.arabjc.2018.05.009

    35. [35]

      Suganthi, S.; Vignesh, S.; Mohanapriya, S.; Sundar, J. K.; Raj, V. J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2019, 30, 15168. doi: 10.1007/s10854-019-01890-0

    36. [36]

      Shi, H. F.; Chen, G. Q.; Zhang, C. L.; Zou, Z. G. ACS Catal. 2014, 4, 3637. doi: 10.1021/cs500848f

    37. [37]

      Rashidizadeh, A.; Zand, H. R. E.; Ghafuri, H.; Rezazadeh, Z. ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 7057. doi: 10.1021/acsanm.0c01380

    38. [38]

      Yang, Y.; Tang, Z.; Zhou, B. J.; Shen, J. Y.; He, H. C.; Ali, A.; Zhong, Q.; Xiong, Y. J.; Gao, C.; Alsaedi, A.; et al. Appl. Catal. B: Environ. 2020, 264, 118470. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118470

    39. [39]

      Zhu, S. S.; Zou, X. F.; Zhou, Y.; Zeng, Y. J.; Long, Y.; Yuan, Z. F.; Wu, Q. B.; Li, M.; Wang, Y. Z.; Xiang, B. J. Alloys Compd. 2019, 775, 63. doi: 10.1016/j.jallcom.2018.10.085

    40. [40]

      Xu, Q. Q.; Huo, W.; Li, S. S.; Fang, J. H.; Li, L.; Zhang, B. Y.; Zhang, F.; Zhang, Y. X.; Li, S. W. Appl. Surf. Sci. 2020, 533, 147368. doi: 10.1016/j.apsusc.2020.147368

    41. [41]

      Liu, L. Z.; Hu, T. P.; Dai, K.; Zhang, J. F.; Liang, C. H. Chin. J. Catal. 2021, 42, 46. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63560-4

    42. [42]

      Geng, Y. X.; Chen, D. Y.; Li, N. J.; Xu, Q. F.; Li, H.; He, J. H.; Lu, J. M. Appl. Catal. B: Environ. 2021, 280, 119409. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119409

    43. [43]

      Xiao, D.; Dai, K.; Qu, Y.; Yin, Y. P.; Chen, H. Appl. Surf. Sci. 2015, 358, 181. doi: 10.1016/j.apsusc.2015.09.042

    44. [44]

      Bhattacharya, C.; Saji, S. E.; Mohan, A.; Madav, V.; Jia, G. H.; Yin, Z. Y. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2002402. doi: 10.1002/aenm.202002402

    45. [45]

      Jiang, Z. F.; Wan, W. M.; Li, H. M.; Yuan, S. Q.; Zhao, H. J.; Wong, P. K. Adv. Mater. 2018, 30, 1706108. doi: 10.1002/adma.201706108

    46. [46]

      Wang, Y. J.; Song, H. M.; Chen, J.; Chai, S. N.; Shi, L. M.; Chen, C. W.; Wang, Y. B.; He, C. Appl. Surf. Sci. 2020, 512, 145650. doi: 10.1016/j.apsusc.2020.145650

    47. [47]

      Wang, W. L.; Zhao, W. L.; Zhang, H. C.; Dou, X. C.; Shi, H. F. Chin. J. Catal. 2021, 42, 97. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63602-6

    48. [48]

      Kuang, P. Y.; Sayed, M.; Fan, J. J.; Cheng, B.; Yu, J. G. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903802. doi: 10.1002/aenm.201903802

    49. [49]

      Wang, W. L.; Zhao, W. L.; Huang, H. M.; Chen, R. Y.; Shi, H. F. Catal. Sci. Technol. 2021, 11, 2948. doi: 10.1039/D1CY00051A

    50. [50]

      Hu, X. Y.; Yu, Y. T.; Chen, D. D.; Xu, W. C.; Fang, J. Z.; Liu, Z.; Li, R. Q.; Yao, L.; Qin, J. J.; Fang, Z. Q. Chem. Eng. J. 2022, 432, 134375. doi: 10.1016/j.cej.2021.134375

    51. [51]

      Yin, Z. Y.; Chen, X. T.; Wang, C.; Guo, Z. J.; Wu, X. L.; Zhao, Z. Y.; Yao, Y. F.; Luo, W. J.; Zou, Z. G. Chem. Sci. 2020, 11, 6297. doi: 10.1039/D0SC01052A

    52. [52]

      Cheng, H. J.; Hou, J. G.; Takeda, O.; Guo, X. M.; Zhu, H. M. J. Mater. Chem. A. 2015, 3, 11006. doi: 10.1039/c5ta01864a

    53. [53]

      Shen, R. C.; Zhang, L. P.; Chen, X. Z.; Jaroniec, M.; Li, N.; Li, X. Appl. Catal. B: Environ. 2020, 266, 118619. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118619

    54. [54]

      Sultana, S.; Mansingh, S.; Parida, K. M. J. Phys. Chem. C 2018, 122, 808. doi: 10.1021/acs.jpcc.7b08534

    55. [55]

      Chen, W.; He, Z. C.; Huang, G. B.; Wu, C. L.; Chen, W. F.; Liu, X. H. Chem. Eng. J. 2019, 359, 244. doi: 10.1016/j.cej.2018.11.141

    56. [56]

      Wang, M.; Shen, M.; Zhang, L. X.; Tian, J. J.; Jin, X. X.; Zhou, Y. J.; Shi, J. L. Carbon 2017, 120, 23. doi: 10.1016/j.carbon.2017.05.024

    57. [57]

      Zhang, L. Y.; Zhang, J. J.; Yu, H. G.; Yu, J. G. Adv. Mater. 2021, 34, 2107668. doi: 10.1002/adma.202107668

    58. [58]

      Xu, Q. L.; Zhang, L. Y.; Cheng, B.; Fan, J. J.; Yu, J. G. Chem 2020, 6, 1543. doi: 10.1016/j.chempr.2020.06.010

    59. [59]

      Yang, H.; He, D. Y.; Liu, C. H.; Zhang, T. T.; Qu, J.; Jin, D. X.; Zhang, K. N.; Lv, Y. H.; Zhang, Z. C.; Zhang. Y. N. Chemosphere 2022, 287, 132072. doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.132072

    60. [60]

      费新刚, 谭海燕, 程蓓, 朱必成, 张留洋. 物理化学学报, 2021, 37, 2010027. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010027Fei, X. G.; Tan, H. Y.; Cheng, B.; Zhu, B. C.; Zhang, L. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010027. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010027

    61. [61]

      Wageh, S., Al-Ghamdi, A. A., 刘丽君. 物理化学学报, 2021, 37, 2010024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010024Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A.; Liu, L. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010024

    62. [62]

      李喜宝, 刘积有, 黄军同, 何朝政, 冯志军, 陈智, 万里鹰, 邓芳. 物理化学学报, 2021, 37, 2010030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010030Li, X. B.; Liu, J. Y.; Huang, J. T.; He, C. Z.; Feng, Z. J.; Chen, Z.; Wan, L. Y.; Deng, F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010030

    63. [63]

      黄悦, 梅飞飞, 张金锋, 代凯, Dawson, G. 物理化学学报, 2022, 38, 2108028. doi: 10.3866/PKU.WHXB202108028Huang, Y.; Mei, F. F.; Zhang, J. F.; Dai, K.; Dawson, G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2108028. doi: 10.3866/PKU.WHXB202108028

    64. [64]

      Jin, C. Y.; Li, Z. L.; Zhang, Y.; Wang, M.; Wu, Z. M.; Xie, Y. H.; Wang, Y. Z.; Zhu, T. Sep. Purif. Technol. 2019, 224, 33. doi: 10.1016/j.seppur.2019.05.006

    65. [65]

      Jo, W. K.; Kumar, S. T.; Eslava, S.; Tonda, S. Appl. Catal. B Environ. 2018, 239, 586. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.08.056

    66. [66]

      Guo, W.; Fan, K.; Zhang, J. J.; Xu, C. J. Appl. Surf. Sci. 2018, 447, 125. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.03.080

    67. [67]

      Xi, J. H.; Xia, H.; Ning, X. M.; Zhang, Z.; Liu, J.; Mu, Z. J.; Zhang, S. T.; Du, P. Y.; Lu, X. Q. Small 2019, 15, 1902744. doi: 10.1002/smll.201902744

    68. [68]

      Liu, X. N.; Lu, Q. F.; Zhu, C. F.; Liu, S. W. RSC Adv. 2014, 5, 4077. doi: 10.1007/10.1039/c4ra11613e

    69. [69]

      Ren, S. S.; Chen, C. H.; Zhou, Y.; Dong, Q. M.; Ding, H. M. Res. Chem. Intermed. 2017, 43, 3307. doi: 10.1007/s11164-016-2827-x

    70. [70]

      Guo, T.; Wang, K.; Zhang, G. K.; Wu, X. Y. Appl. Surf. Sci. 2019, 469, 331. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.10.183

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  157
  • HTML全文浏览量:  27
文章相关
  • 发布日期:  2022-07-15
  • 收稿日期:  2022-01-05
  • 接受日期:  2022-02-05
  • 修回日期:  2022-01-27
  • 网络出版日期:  2022-01-10
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