摘要
随着社会不断发展，细菌引起的饮水问题日益严峻，严重困扰了人类生活。因此发展新型高效的灭菌方法尤为重要。传统氯消毒、紫外消毒存在能耗高、易产生二次污染等问题，而高级氧化消毒技术因其高效、环境友好等特点受到了广泛关注。其中由过氧化氢（H2O2）介导的芬顿反应更是研究热点。目前工业化生产H2O2的主要方法是蒽醌工艺，但其存在成本高、工艺繁琐、污染环境等弊端。光催化合成H2O2通过光为能量来源，以廉价的氧气和水为原料，且整个过程绿色环保，被认为是极具发展前景的代替方案。 共价有机框架（COFs）作为新兴的光催化剂，因其出色的稳定性和光电化学性质在合成H2O2方面得到了广泛应用。本文利用2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪（TB），2,4,6-三(4-氨基苯基)-1,3,5-三嗪（TA）通过席夫碱反应制备出了COF-TaTb母体材料。基于其较高的孔隙率、比表面积和丰富的活性位点，采用湿法浸渍在材料框架内巧妙地引入了金纳米团簇以构建高效H2O2光合成催化体系；并将产生的H2O2通过芬顿反应产生羟基自由基高效杀灭水中细菌。本研究可为水体灭菌提供坚实的理论依据和实验参考。 本文主要研究成果如下：（1）选取Au/COF-TaTb作为本次光催化剂，并评估由其介导的高级氧化灭菌效果。其中，1%Au纳米团簇负载的COF-TaTb光催化材料（1%Au/COF-TaTb）H2O2产率最高，达到了1932.1μmolg-1h-1，是COF-TaTb的5倍。同时，在不同光照条件以及水体中所构建的光催化-芬顿体系均展现出优异的灭菌效果。DFT计算和一系列实验表征证明，Au纳米团簇在拓宽COF-TaTb光吸收范围的同时，促进了载流子的有效分离，强化了O2的吸附能力，从而显著提升了H2O2的产率；（2）为了提升光催化剂在灭菌过程中的稳定性和循环利用性，对传统的反应过程进行了改善，并提出了“分区”体系的概念。该体系以法兰口连接的双室容器为反应装置，通过置于中间的半透膜将催化材料和细菌悬浮液分隔开来。在可见光照射下，左侧材料产生的H2O2首先通过浓度差的作用向右侧渗透，随后利用Fe2+或紫外光对其进行激活以产生具有灭菌能力的羟基自由基。经过8次循环实验，“分区”体系内的1%Au/COF-TaTb杀菌率依旧可以达到99.999%。采用XRD、FT-IR、XPS等表征，证实了反应前后1%Au/COF-TaTb的晶体和化学结构均未发生明显变化，表明该体系可以显著提升光催化材料的稳定性。“分区”体系将原本短程异相杀菌的羟基自由基“储存”于H2O2中，并转移至与催化剂隔离的反应仓，从而进行高级氧化灭菌，实现光催化诱导的长程均相杀菌。该体系解决了传统均相反应中催化剂难以回收的难题，为高效光催化灭菌体系的构筑提供了新途径。
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