[发明专利]一种新型材料CNTs-TiO2

说明书

本发明公开了一种新型材料CNTs‑TiO₂@CuFe₂O₄的制备方法及其应用，本发明构建CNTs‑TiO₂@CuFe₂O₄/light/PMS新型高级氧化体系，通过光催化协同活化PMS产生寿命长且氧化性更强的硫酸根自由基和羟基自由基，从而实现抗生素污染物的完全矿化。本发明的材料制备方法简单，氧化体系构建容易，且绿色环保，对处理水中抗生素提供了一个新的指导方向。

技术领域

本发明属于环境功能纳米材料，具体涉及到一种日光辅助类芬顿活化过硫酸盐的光催化材料CNTs-TiO₂@CuFe₂O₄的制备方法及其应用。

背景技术

环丙沙星 (CIP)，作为第三代喹诺酮类抗菌类药物，具有广谱抗菌活性，广泛应用于医疗、畜牧业和水产养殖业。我国作为世界上最大的抗生素生产国和消费国，随着抗生素使用量的增加，抗生素废水的产生和排放量越来越大，且抗生素在环境中很难被生物降解，残留的抗生素会导致“抗性基因”和“超级细菌”的产生，给人类健康和生态环境安全造成极大的威胁。传统的水处理技术对于去除CIP都存在不同程度的弊端，无法满足其深度处理的需求。因此，迫切需开发一种绿色、高效的方法来去除水环境中的抗生素。

最近，基于硫酸根 (SO·- 4) 的高级氧化工艺 (SR-AOPs)已成为处理水中有机污染物的热点。与常规的光催化产生的·OH相比，SO·- 4具有以下优势：SO·- 4的氧化还原电位（E⁰=2.5-3.1V）强于·OH（E⁰=1.8-2.7V）；活化PMS产生SO·- 4降解污染物受pH影响更小，具有较宽泛的使用范围；SO·- 4在水中的半衰期（30-40 us）远高于·OH（10^-3 us），因而，SO·- 4拥有更多的时间接触污染物来使污染物彻底矿化。目前活化过一硫酸盐（PMS）主要方式有：光和热活化法、过渡金属活化法 、非金属活化法等。最近有些研究报道了光催化协同活化PMS降解有机污染物的方案是可行的。

CuFe₂O₄属于过渡态金属，是一种理想的PMS活化剂，可利用Cu²⁺和Fe³⁺与 PMS 之间的氧化还原及电子转移反应活化分解PMS 产生SO·- 4和·OH 以此去氧化分解抗生素有机物。CuFe₂O₄还具有磁性，利于催化剂在水中的分离回收，减少二次污染，增加催化剂利用率。

TiO₂因其具有低成本、安全无毒、光化学稳定性好等优势，是光催化氧化中最常见的半导体光催化剂，但是电子-空穴对表面复合严重，易团聚，回收性差限制了其应用。在过去的几十年里，使用磁性纳米粒子对光催化剂进行磁化已经成为一种方便地分离和重复使用光催化剂的新方法。并且 CuFe₂O₄ 是一种 p-型半导体，可以与n型的TiO₂组成 p-n 型异质结光催化剂，显著降低其带隙能，进一步增强可见光响应能力。引入的 CuFe₂O₄可以解决TiO₂基光催化剂回收困难、二次污染以及重复利用性差等问题。

碳纳米管（CNTs）是石墨烯片层卷曲而成，具有巨大的比表面、良好的化学稳定性、优异的导电性等优点，是一种优秀的吸附剂和催化剂载体。将TiO₂@ CuFe₂O₄纳米异质结材料负载到CNTs表面，可以增加催化剂的吸附效果，把污染物吸附到催化剂上集中进行光催化降解。其优异导电性还可以加快催化剂的电子转移，减少电子-空穴复合速率，增加氧化降解有机污染物的效率。因此，制备稳定的CNTs-TiO₂@CuFe₂O₄复合材料，在光助条件下活化PMS，让SO·- 4和·OH原位藕合，以此达到难降解有机污染物的去除。

发明内容