摘要
当前人类面临环境污染和能源危机等重大问题。绿色、高效、节能的污染治理新技术的研发是解决这些问题的重要举措。光催化技术以其反应条件温和、可将太阳能直接转化为化学能等显著优势，成为一种在环境和能源领域极具应用前景的绿色技术。高效稳定的光催化剂的研制是促进该技术进一步应用的关键。N,N''-二(丙酸)苝-3,4,9,10-四羧酸二亚胺（苝酰亚胺）及其衍生物是典型的n型半导体，因其优异的光热稳定性、光捕获和载流子传输特性而受到广泛关注。但目前苝酰亚胺仍存光生载流子在光催化过程中稳定性差、容易复合等问题，亟需进一步研究以克服这些技术难题。 本文针对上述问题，以生物废料椰棕为原料，先予以粉碎，制备水热生物炭（BC），然后将BC与自组装苝酰亚胺（PDI）在酸性条件下进行复合，以提升光生载流子的分离效率，并且产生更多的羟基自由基，从而提升光催化活性。 本文采用上述方法成功制备了一系列不同质量比例的BC与PDI的复合光催化剂。对制备的光催化剂进行了扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外可见漫反射光谱（UV-VisDRS）、莫特-肖特基（Mott–Schottky）曲线、光电流响应（I-t）曲线、电化学阻抗（EIS）等一系列表征测试。 在此基础上，利用制备的复合光催化剂对磺胺甲恶唑（SMX）的光催化降解特征、重要影响因素以及降解机制进行了实验研究。结果表明，PDI与BC的质量比为5时，光催化降解性能最优，即最优材料为5PDI/BC。在100mL光催化反应体系中，SMX浓度为5ppm，催化剂投加量为100mg。光照180min，5PDI/BC对SMX的光催化降解效率可达到99.4%。对5PDI/BC的降解数据进行伪一级动力学拟合，得其反应速率常数为0.02632min-1，分别是复合前体PDI（0.00860min-1）和BC（0.00464min-1）的3.06和5.67倍。上述结果表明经过BC改性后的复合光催化剂催化活性显著增强。 在此基础上，本论文还较为系统地研究了pH值和无机阴离子对5PDI/BC光催化反应活性的影响，阐明了上述影响因素与光催化剂性能之间的关系。在酸性条件下，光催化性能得到促进，而碱性条件被抑制；在NO3-、SO42-或Cl-存在下，该复合材料对SMX的降解略有促进作用，而HCO3-存在时，对SMX降解有明显抑制作用。同时对实际水体进行了SMX降解的研究，发现自然水体对其降解的抑制作用强于处理水，为其实际水环境净化中的应用提供了科学依据。 结合复合光催化剂的材料结构及电子自旋共振技术（ESR）、液相色谱质谱联用技术（LC-MS）等表征结果，进一步阐明了复合材料对光催化活性提升的机理。其中·OH、·O2-和1O2在该反应体系中起主要作用。
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