S-Scheme-Enhanced PMS Activation for Rapidly Degrading Tetracycline Using CuWO4−x/Bi12O17Cl2 Heterostructures

Ruyao Chen Jiazeng Xia Yigang Chen Haifeng Shi

Citation:  Ruyao Chen, Jiazeng Xia, Yigang Chen, Haifeng Shi. S-Scheme-Enhanced PMS Activation for Rapidly Degrading Tetracycline Using CuWO4−x/Bi12O17Cl2 Heterostructures[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(6): 220901. doi: 10.3866/PKU.WHXB202209012 shu

CuWO4−x/Bi12O17Cl2梯型异质结增强PMS活化性能用于高效抗生素去除

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

    国家自然科学基金 22136002

    国家自然科学基金 22172064

    江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金项目 BK20220023

    无锡市科技发展资金 Y20212004

    南京大学固体微结构国家重点实验室开放课题 M34047

摘要: 利用光催化剂中产生的光生电荷活化过一硫酸盐(PMS)用于抗生素等污染物的去除,由于结合了光催化反应和PMS活化的独特优势,近年来引起了广泛的关注。然而,对于单一光催化剂,严重的光生电子空穴对的复合限制了其活化PMS的效率。于此,本文构建了CuWO4−x/Bi12O17Cl2光催化剂,通过梯型异质结促进电荷分离,实现高效PMS活化。通过X射线衍射仪技术(XRD)、高分辨透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)等分析手段对所制备催化剂的形貌和结构进行了详细的表征。另外,通过在可见光照射下降解四环素(TC),系统地研究了CuWO4−x/Bi12O17Cl2的催化活性。结果发现,与CuWO4−x和Bi12O17Cl2相比,CuWO4−x/Bi12O17Cl2表现出了明显增强的四环素降解活性:在加入微量的PMS及可见光照射30分钟后,对四环素的降解效率达到了94.74%。X射线光电子能谱以及捕获实验结果表明,CuWO4−x/Bi12O17Cl2复合材料遵循梯型异质结电荷迁移机制。得益于梯型异质结的构建,CuWO4−x/Bi12O17Cl2光催化剂中电子和空穴的传输与分离效率得到显著提高,同时还能保持复合材料最佳的氧化还原能力。此外,对比反应前后样品的X射线光电子能谱结果,发现铜离子和氧空位也参与PMS活化,这将促进反应中活性自由基的产生,从而进一步提高了TC的降解效率。本研究为合成可高效活化PMS和降解抗生素的梯型异质结光催化剂提供了新的思路。

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]

      Cai, S.; Zuo, X. X.; Zhao, H. Y.; Yang, S. J.; Chen, R. Z.; Chen, L. W.; Zhang, R. H.; Ding, D. H.; Cai, T. M. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 9171. doi: 10.1039/D2TA00153E

    3. [3]

      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

    4. [4]

      Cherifi, Y.; Addad, A.; Vezin, H.; Barras, A.; Ouddane, B.; Chaouchi, A.; Szunerits, S.; Boukherroub, R. Ultrason. Sonochem. 2019, 52, 164. doi: 10.1016/j.ultsonch.2018.11.012

    5. [5]

      Liu, S. Y.; Zada, A.; Yu, X. Y.; Liu, F. Z.; Jin, G. Chemosphere 2022, 307, 135717. doi: 10.1016/j.chemosphere.2022.135717

    6. [6]

      Huang, C. F.; Wen, Y. P.; Ma, J.; Dong, D. D.; Shen, Y. F.; Liu, S. Q.; Ma, H. B.; Zhang, Y. J. Nat. Commun. 2021, 12, 320. doi: 10.1038/s41467-020-20521-5

    7. [7]

      韩高伟, 徐飞燕, 程蓓, 李佑稷, 余家国, 张留洋. 物理化学学报, 2022, 38, 2112037. doi: 10.3866/PKU.WHXB202112037Han, G. W.; Xu, F. Y., Cheng, B., Li, Y. J., Yu, J. G., Zhang, L. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2112037. doi: 10.3866/PKU.WHXB202112037

    8. [8]

      Yan, Q. Y.; Lian, C.; Huang, K.; Liang, L. H.; Yu, H. R.; Yin, P. C.; Zhang, J. L.; Xing, M. Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 17155. doi: 10.1002/anie.202105736

    9. [9]

      Zhao, W. L.; Wang, W. L.; Han, T. Y.; Wang, H. T.; Zhang, H. C.; Shi, H. F. Sep. Purif. Technol. 2021, 269, 118693. doi: 10.1016/j.seppur.2021.118693

    10. [10]

      Sabri, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Ghosh, S. J. Photochem. Photobiol. A 2020, 391, 112397. doi: 10.1016/j.jphotochem.2020.112397

    11. [11]

      李洁冰, 伊玉, 时鹏辉, 王倩, 李登新, ASIF Hussain, 杨明. 物理化学学报, 2014, 30, 1720. doi: 10.3866/PKU.WHXB201407021Li, J. B.; Yi, Y.; Shi, P. H.; Wang, Q.; Li, D. X.; Asif, H.; Yang, M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30, 1720. doi: 10.3866/PKU.WHXB201407021

    12. [12]

      Ming, H. B.; Wei, D. L.; Yang, Y.; Chen, B. Q.; Yang, C.; Zhang, J. S.; Hou, Y. D. Chem. Eng. J. 2021, 424, 130296. doi: 10.1016/j.cej.2021.130296

    13. [13]

      Gao, H. H.; Yang, H. C.; Xu, J. Z.; Zhang, S. W.; Li, J. X. Small 2018, 14, 1801353. doi: 10.1002/smll.201801353

    14. [14]

      Sarkar, P.; De, S.; Neogi, S. Appl. Catal. B Environ. 2022, 307, 121165. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121165

    15. [15]

      Xu, L.; Liu, L. F. Appl. Catal. B Environ. 2022, 304, 120953. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120953

    16. [16]

      Wang, W. X.; Liu, Y.; Yue, Y. F.; Wang, H. H.; Cheng, G.; Gao, C. Y.; Chen, C. L.; Ai, Y. J.; Chen, Z.; Wang, X. K. ACS Catal. 2021, 11, 11256. doi: 10.1021/acscatal.1c03331

    17. [17]

      Liu, W.; Zhou, J. B.; Zhou, Y.; Liu, D. Sep. Purif. Technol. 2021, 264, 118288. doi: 10.1016/j.seppur.2020.118288

    18. [18]

      Wang, M.; Jin, C. Y.; Kang, J.; Liu, J. Y.; Tang, Y. W.; Li, Z. L.; Li, S. Y. Chem. Eng. J. 2021, 416, 128118. doi: 10.1016/j.cej.2020.128118

    19. [19]

      Rosa, W. S.; Rabelo, L. G.; Tiveron Zampaulo, L. G.; Gonçalves, R. V. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 22858. doi: 10.1021/acsami.1c21001

    20. [20]

      Huang, R. Y.; Gu, X.; Sun, W. Z.; Chen, L.; Du, Q. Y.; Guo, X.; Lia, J.; Zhang, M. W.; Li, C. F. Sep. Purif. Technol. 2020, 250, 117174. doi: 10.1016/j.seppur.2020.117174

    21. [21]

      Chen, R. Y.; Dou, X. C.; Xia, J. Z.; Chen, Y. G.; Shi, H. F. Sep. Purif. Technol. 2022, 296, 121345. doi: 10.1016/j.seppur.2022.121345

    22. [22]

      Zhang, H.; Yilmaz, P.; Ansari, J. O.; Khan, F. F.; Binions, R.; Krause, S.; Dunn, S. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 9638. doi: 10.1039/C4TA07213H

    23. [23]

      Shadabipour, P.; Raithel, A. L.; Hamann, T. W. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 50592. doi: 10.1021/acsami.0c14705

    24. [24]

      Dashtian, K.; Ghaedi, M.; Shirinzadeh, H.; Hajati, S.; Shahbazi, S. Chem. Eng. J. 2018, 339, 189. doi: 10.1016/j.cej.2018.01.107

    25. [25]

      Wen, M.; Wang, S.; Jiang, R. Q.; Wang, Y.; Wang, Z. J.; Yu, W. J.; Geng, P.; Xia, J. D.; Li, M. Q.; Chen, Z. G. Biomater. Sci. 2019, 7, 4651. doi: 10.1039/C9BM00995G

    26. [26]

      Ma, Z.; Linnenberg, O.; Rokicinska, A.; Kustrowski, P.; Slabon, A. J. Phys. Chem. C 2018, 122, 19281. doi: 10.1021/acs.jpcc.8b02828

    27. [27]

      Guo, W. L.; Duan, Z. Y.; Mabayoje, O.; Chemelewski, W. D.; Xiao, P.; Henkelman, G.; Zhang, Y. H.; Mullins, C. B. J. Electrochem. Soc. 2016, 163, H970. doi: 10.1149/2.0701610jes

    28. [28]

      Bao, X. L.; Wang, X. K.; Li, X. Q.; Qin, L. X.; Han, S.; Kang, S. Z. Mater. Res. Bull. 2021, 136, 111171. doi: 10.1016/j.materresbull.2020.111171

    29. [29]

      Guo, W. L; Wang, Y.; Lian, X.; Nie, Y.; Tian, S. J.; Wang, S. S.; Zhou, Y.; Henkelman, G. Catal. Sci. Technol. 2020, 10, 7344. doi: 10.1039/D0CY01430C

    30. [30]

      Chu, D. W.; Zhao, C. Catal. Today 2020, 351, 125. doi: 10.1016/j.cattod.2018.10.006

    31. [31]

      Yu, R. X.; Zhao, J. H.; Zhao, Z. W.; Cui, F. Y. J. Hazard. Mater. 2020, 390, 121998. doi: 10.1016/j.j hazmat.2019.121998

    32. [32]

      Zhang, H. X.; Li, C. W.; Lyu, L.; Hu, C. Appl. Catal. B Environ. 2020, 270, 118874. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118874

    33. [33]

      Ye, J.; Dai, J. D.; Yang, D. Y.; Li, C. X.; Yan, Y. S.; Wang, Y. J. Hazard. Mater. 2022, 421, 126715. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126715

    34. [34]

      Yang, H.; Zhang, J. F.; Dai, K. Chin. J. Catal. 2022, 43, 255. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63784-6

    35. [35]

      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

    36. [36]

      费新刚, 谭海燕, 程蓓, 朱必成, 张留洋. 物理化学学报, 2022, 37, 2010027. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010027Fei, X. G.; Tan, H. Y.; Cheng, B.; Zhu, B. C.; Zhang, L. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 37, 2010027. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010027

    37. [37]

      王文亮, 张灏纯, 陈义钢, 史海峰. 物理化学学报, 2022, 38, 2104030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202201008Wang, W. L.; Zhang, H. C.; Chen, Y. G.; Shi, H. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2104030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202201008

    38. [38]

      Zhang, L. Y.; Zhang, J. J.; Yu, H. G.; Yu, J. G. Adv. Mater. 2022, 34, 2107668. doi: 10.1002/adma.202107668

    39. [39]

      Li, X.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K.; Fan, K.; Dawson, G. Mater. Today Phys. 2022, 26, 100729. doi: 10.1016/j.mtphys.2022.100729

    40. [40]

      Xia, P. F.; Cao, S. W.; Zhu, B. C.; Liu, M. J.; Shi, M. S.; Yu, J. G.; Zhang, Y. F. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 5218. doi: 10.1002/anie.201916012

    41. [41]

      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

    42. [42]

      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

    43. [43]

      Zhao, Z. W.; Li, X. F.; Dai, K.; Zhang, J. F.; Dawson, G. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 117, 109. doi: 10.1016/j.jmst.2021.11.046

    44. [44]

      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

    45. [45]

      Mei, F. F.; Li, Z.; Dai, K.; Zhang, J. F.; Liang, C. H. Chin. J. Catal. 2020, 41, 41. doi: 10.1016/S1872-2067(19)63389-9

    46. [46]

      Zhou, C. Y.; Lai, C.; Xu, P.; Zeng, G. M.; Huang, D. L.; Li, Z. H.; Zhang, C.; Cheng, M.; Hu, L.; Wan, J.; et al. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 6, 6941. doi: 10.1021/acssuschemeng.8b00782

    47. [47]

      Zhai, Z. C.; Ren, K. X.; Zheng, X. Y.; Chen, Y. G.; Dong, Y. M.; Shi, H. F. Environ. Sci. : Nano 2022, 9, 1780. doi: 10.1039/D2EN00028H

    48. [48]

      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

    49. [49]

      Liu, Z. F.; Song, Q. G.; Zhou, M.; Guo, Z. G.; Kang, J. H.; Yan, H. Y. Chem. Eng. J. 2019, 374, 554. doi: 10.1016/j.cej.2019.05.191

    50. [50]

      Huo, Y.; Zhang, J. F.; Wang, Z. L.; Dai, K.; Pan, C. S.; Liang, C. H. J. Colloid Interface Sci. 2021, 585, 684. doi: 10.1016/j.jcis.2020.10.048

    51. [51]

      Zhu, L. L.; Wu, Y. F.; Wu, S. J.; Dong, F.; Xia, J. X.; Jiang, B. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 9216. doi: 10.1021/acsami.0c21454

    52. [52]

      Li, L.; Yang, L.; Xiong, Y. L.; Peng, L.; Dong, H. M.; Wei, X. J.; Xiao, P.; He, H. C. ACS Sustain. Chem. Eng. 2019, 7, 19640. doi: 10.1021/acssuschemeng.9b04787

    53. [53]

      Liu, S. Y., Ru, J. L., Liu, F. Z. Chemosphere 2021, 267, 129220. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.129220

    54. [54]

      Biesinger, M. C. Surf. Interface Anal. 2017, 49, 1325. doi: 10.1002/sia.6239

    55. [55]

      Chen, H. X.; Xu, Y.; Zhu, K. M.; Zhang, H. Appl. Catal. B Environ. 2021, 284, 119732. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119732

    56. [56]

      Hang, T. T. M.; Vy, N. H. T.; Hanh, N. T.; Pham, T. D. Sustain. Chem. Pharm. 2021, 21, 100407. doi: 10.1016/j.scp.2021.100407

    57. [57]

      Wang, L.; Min, X. P.; Sui, X. Y.; Chen, J. H.; Wang, Y. J. Colloid Interface Sci. 2020, 560, 21. doi: 10.1016/j.jcis.2019.10.048

    58. [58]

      Hill, J. C.; Choi, K. S. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 5006. doi: 10.1039/C3TA10245A

    59. [59]

      Chang, F.; Wu, F. Y.; Zheng, J. J.; Cheng, W. B.; Yan, W. J.; Deng, B. Q.; Hu, X. F. Chemosphere 2018, 210, 257. doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.07.010

    60. [60]

      Gordon, T. R.; Cargnello, M.; Paik, T.; Mangolini, F.; Weber, R. T.; Fornasiero, P.; Murray, C. B. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 6751. doi: 10.1021/ja300823a

    61. [61]

      Lim, J. H.; Yang, Y.; Hoffmann, M. R. Environ. Sci. Technol. 2019, 53, 6972. doi: 10.1021/acs.est.9b01449

    62. [62]

      Qin, Q. D.; Liu, T.; Zhang, J. X.; Wei, R.; You, S. J.; Xu, Y. J. Hazard. Mater. 2021, 419, 126447. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126447

    63. [63]

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

    64. [64]

      Ma, J.; Chen, L.; Liu, Y.; Xu, T. Y.; Ji, H. D.; Duan, J.; Sun, F. B.; Liu, W. J. Hazard. Mater. 2021, 418, 126180. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126180

    65. [65]

      Ren, J.; Jiang, L. S.; Li, Y.; Zhang, G. K. Sep. Purif. Technol. 2021, 275, 119100. doi: 10.1016/j.seppur.2021.119100

    66. [66]

      Dai, H. W.; Zhou, W. J.; Wang, W. Chem. Eng. J. 2021, 417, 127921. doi: 10.1016/j.cej.2020.127921

    67. [67]

      Wang, H.; Gao, Q.; Li, H. T.; Han, B.; Xia, K. S.; Zhou, C. G. Chem. Eng. J. 2019, 368, 377. doi: 10.1016/j.cej.2019.02.124

    68. [68]

      Huang, X. X.; Zhu, N. W.; Mao, F. L.; Ding, Y.; Zhang, S. H.; Liu, H. R.; Li, F.; Wu, P. X.; Dang, Z.; Ke, Y. X. Chem. Eng. J. 2020, 392, 123636. doi: 10.1016/j.cej.2019.123636

    69. [69]

      Huang, K. L.; Li, C. H.; Wang, L.; Wang, W. T.; Meng, X. C. Chem. Eng. J. 2021, 425, 131493. doi: 10.1016/j.cej.2021.131493

    70. [70]

      Tan, B. H.; Fang, Y.; Chen, Q. L.; Ao, X. Q.; Cao, Y. J. Colloid Interface Sci. 2021, 601, 581. doi: 10.1016/j.jcis.2021.05.155

    71. [71]

      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

    72. [72]

      Chen, T.; Zhu, Z. L.; Bao, Y. J.; Zhang, H.; Qiu, Y. L.; Yin, D. Q. Environ. Sci. Nano 2021, 8, 2618. doi: 10.1039/D1EN00426C

    73. [73]

      Zhang, H.; Nengzi, L. C.; Li, X.; Wang, Z.; Li, B.; Liu, L.; Cheng, X. Chem. Eng. J. 2020, 386, 124011. doi: 10.1016/j.cej.2020.124011

    74. [74]

      Denk, M.; Kuhness, D.; Wagner, M.; Surnev, S.; Negreiros, F. R.; Sementa, L.; Barcaro, G.; Vobornik, I.; Fortunelli, A.; Netzer, F. P. ACS Nano 2014, 8, 3947. doi: 10.1021/nn500867y

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  14
  • 文章访问数:  851
  • HTML全文浏览量:  94
文章相关
  • 发布日期:  2023-06-15
  • 收稿日期:  2022-09-09
  • 接受日期:  2022-09-30
  • 修回日期:  2022-09-23
  • 网络出版日期:  2022-10-08
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