摘要
四环素在治疗细菌感染和促进动物生长方面有着广泛的应用，但其滥用会导致水体受污染的情况日益严峻，极大地威胁人类的健康安全。高效绿色环保的半导体光催化降解技术，可有效解决四环素水体污染的问题。二氧化铈（CeO2）的稳定性高，具有较强氧化能力和丰富的氧空位，是用于环境污染物的治理最有前途的光催化半导体材料之一。然而，CeO2半导体光生载流子易复合、迁移率低和可见光响应差等缺点，限制了其进一步的应用和发展。CeO2的光催化降解性能可以通过结构调控或者缺陷工程的策略来改善，例如，构筑CeO2基异质结、氧空位阴离子缺陷等，能够显著提升其光生载流子的分离效率及可见光吸收能力。本课题以主暴露晶面为{110}和{100}的CeO2为研究对象，并与g-C3N4复合构建异质结以及不同煅烧温度调控氧空位的浓度，探究异质结的形成和氧空位浓度对光催化降解四环素的性能与内在机理的关系。具体内容和结论如下： （1）光催化活性与晶面暴露类型密切相关，且不同晶面的CeO2纳米粒子会与界面上的g-C3N4载体产生不同的相互作用，从而具有不同的能带结构和电子空穴分离能力。本工作通过水热法合成暴露晶面为{110}的棒状CeO2和{100}晶面的立方体CeO2，然后再通过甲醇超声法分别与g-C3N4构建异质结结构。其次结构测试表明，不同晶面的CeO2/g-C3N4异质结结构，存在着不同的相互作用力，这种作用有利于光催化过程中光诱导的电荷分离和迁移，促进光催化降解性能的提升。当g-C3N4在CeO2/g-C3N4中质量比为25%时，{110}CeO2/g-C3N4和{100}CeO2/g-C3N4均达到最佳的四环素降解率，分别为92.61%和89.67%。机理分析表明，{110}CeO2与g-C3N4形成的Ⅱ型异质结结构提高了载流子分离和迁移率，因而表现出最高的光催化性能。而{100}CeO2/g-C3N4复合材料更符合Z型异质结结构，这种结构表现极大的在载流子分离效率，使得纯{100}CeO2光催化降解率提高了约7倍。 （2）氧空位生成与晶面有很大的相关性，且在还原气氛中高温煅烧和未煅烧的处理方法对氧空位浓度调控有着一定的争议。本工作通过水热法合成了{110}晶面的棒状CeO2和{100}晶面的立方体CeO2两种形貌样品，然后在Ar/H2气氛中，分别以300℃、500℃和700℃煅烧样品，与未煅烧的CeO2样品做对比。结构表征测试表明未煅烧处理的{110}CeO2具有最高的氧空位浓度，然而随着煅烧温度升高，{110}CeO2氧空位浓度逐渐降低。此外，而对于{100}晶面CeO2，高温煅烧还原和未煅烧处理对氧空位浓度的提高几乎没有影响。其次，通过光催化降解四环素来评价了不同晶面CeO2的光催化性能，其中R-60（未煅烧处理的{110}CeO2样品）、R-300（300℃煅烧的{110}CeO2样品）的降解率分别为94.64%和91.07%。最后，研究分析得出，未煅烧的{110}CeO2具有最高的氧空位浓度和光催化降解四环素性能，煅烧后氧空位浓度的下降可能是与高温煅烧对结构产生了破坏有关。
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