Bi2WO6纳米类化合物：一种有效的可见光活性光催化剂，用于水相中左氧氟沙星药物的降解外文翻译资料

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

Bi₂WO₆纳米类化合物：一种有效的可见光活性光催化剂，用于水相中左氧氟沙星药物的降解

Amandeep Kaur, Sushil Kumar Kansal

Dr. S.S. Bhatnagar University Institute of Chemical Engineering amp; Technology, Panjab University, Chandigarh 160014, India

亮点

·超声波辅助水热法简便合成Bi₂WO₆纳米复合物。

·Bi₂WO₆表现出良好的结晶度和宽的可见光吸收性能。

·使用制备的催化剂获得了左氧氟沙星80％的降解。

摘要

该研究提出了在可见光下光催化去除药物化合物的有效方法。在该研究中，使用简便的超声波辅助水热法合成了Bi₂WO₆ 纳米类化合物。通过不同的技术，例如XRD，FTIR，TEM，FE-SEM，UV-vis DRS，XPS和BET表面积分析，研究了合成的纳米结构的相鉴定，化学，形态和光致发光性质。此外，以在可见光下水相中左氧氟沙星的降解来评估所制备的催化剂的光催化活性。在150分钟内实现了约80％的药物降解。动力学研究表明，左氧氟沙星的光降解遵循伪一级反应动力学模型和速率常数为0.00847min^-1。对苯二甲酸光致发光技术是用于检测·OH自由基在光催化过程中的作用。 利用LCMS技术分析了光催化降解过程中左氧氟沙星中间体的鉴定，并提出了基于它们的反应途径。

1.引言

抗生素属于药物类别，其消费量多年来大幅增加。它们在废水中的存在是一个迫切需要解决的问题，并且由于不明环境影响和可能对水生生物的破坏而越来越受到关注[1].氟喹诺酮类（FQs）是一组抗生素，因其广泛用于治疗细菌感染性疾病而受到广泛关注。由于其应用于细菌感染，全世界每年摄入的FQs已超过4400万[2–4].这些抗生素通过生物体内的排泄，制药工业的残留物进入水循环，最终以活性形式进入地表水[5].FQs的无处不在导致人们广泛关注其对水生生物和人类健康的不利影响。为了最大限度地减少FQs排放到水体中以及解决现有的污染问题，非均相光催化已经成为一种重要的全球公认的能将这些类型药物完全降解的技术[6-8]。

在过去的几年中，人们对使用金属氧化物如TiO₂作为在紫外光下降解环境污染物的催化剂进行了广泛的研究[9].但是TiO₂ 只能被激发到380nm波长，这需要使用人工UV光来启动该过程。许多可见光活性光催化剂如Ag₃PO₄，g-C₃N₄，BiVO₄ 等已得到有效开发[10,11].Aurivillius氧化铋系列因其无毒，离子导电性，高稳定性和良好的催化活性等重要特性而备受关注[12,13]。Bi₂WO₆ 属于Aurivillius族，其结构由钙钛矿层组成，是一种n型半导体，其带隙围绕2.75eV。它在太阳能转换，电极材料和非均相光催化方面具有很好的前景。

通过不同方法制成不同形态的Bi₂WO₆ 纳米结构，例如纳米笼[14]，纳米板[15]，像雪一样[16]，分层花[17] 和纳米层[18]。有文献报道。由于低成本，高产率，低温和大规模方法，水热法是一种广泛使用的方法。在水热法中，通过改变温度，pH值，反应时间和表面活性剂可以控制纳米材料的形态。

在这项工作中，我们通过超声波辅助水热法合成了Bi₂WO₆ 纳米类化合物。通过X射线衍射（XRD），透射电子显微镜（TEM），场发射扫描电子显微镜（FESEM），傅立叶变换红外（FTIR）光谱，热重分析（TGA），光致发光光谱（PL），UV-vis漫反射光谱（UV-DRS），X射线光电子能谱（XPS）和表面积和孔径分布分析研究了制备样品的结构，形态和光学性质。此外，用Bi₂WO₆ 在可见光下在水相中进行左氧氟沙星（10mg/L）药物（对常规生物氧化具有极大抗性的第三代合成FQ）的光催化降解。系统地观察了溶液pH，催化剂用量，药物浓度等反应参数对降解性能的影响。

2.实验细节

2.1.材料

从Sigma aldrich购买五水硝酸铋，用作合成Bi₂WO₆ 的原料。其它试剂包括无水钨酸钠，乙二醇，碘化钾（KI），氯化钠（NaCl），氢氧化钠（NaOH），氮化钠（NaN₃）和甲酸（HCOOH）都是从Merck，India购置的。对苯二甲酸购自Himedia Laboratories Pvt.Ltd,India。氟喹诺酮药物左氧氟沙星从Saurav Chemicals Limited，Derabassi获得。实验期间的所有溶液均在蒸馏水中制备。使用Mettler Toledo pH计，NaOH（1N）和HCl（1N）调节各种溶液的pH。

2.2.Bi₂WO₆ 纳米类化合物的合成

采用超声辅助水热法制备Bi₂WO₆ 纳米复合物。比较典型的方法是将0.006mol Bi（NO₃）_3·5H₂O溶于65mL蒸馏水中，称为溶液I.通过溶解0.003mol Na₂(WO₄).2H₂O在乙二醇中制备其它溶液II。在超声波作用下将溶液II逐滴加入溶液I中。将所得浆料搅拌1小时，并在150mL特氟隆衬里的不锈钢高压釜中在170℃下水热处理20小时。将产物用乙醇和水冲洗数次，最后在50℃下干燥过夜。

2.3.Bi₂WO₆纳米类化合物的表征

本论文中使用Cu Kalpha;辐射（k = 1.54056Aring;）在XPert PRO衍射仪上，以2theta;= 10-80°的衍射角范围进行样品的物相鉴定分析。合成催化剂的颗粒大小和形貌是通过透射观察电子显微镜（Hitachi H-7500）和场发射扫描电子显微镜（Hitachi-8010）来分析的。FT-IR光谱在Nicolet iS50（Thermofisher，USA）分光光度计上在400-4000cm^-1的范围内获得。在UV-vis分光光度计（Shimadzu，UV-2600）上记录样品的漫反射光谱，其中BaSO₄ 作为参考，在200-800nm的范围内。

在热分析仪器（Perkin-Elmer STA 6000）上以10℃/分钟（0-1000℃）的加热速率进行TGA测量。室温光致发光（RT-PL）使用PL Hitachi F-7000（5J1-004型）分光光度计进行，激发波长为360nm。通过X射线光电子能谱获得合成催化剂的化学状态。（AMICUS，Kratos，A Shimadzu Group公司）使用单色Mg Kalpha; X射线（h = 1253.6 eV）源。XPS分析中的结合能被校正C（1s）不定峰（287.4eV）。通过使用Quantachrome Nova 2000e BET分析仪测量N₂ 吸附-解吸等温线获得比表面积。在测量之前，将样品在真空下在423K下预热4小时。用紫外-可见分光光度计（Systronics-2202）获得紫外-可见吸收光谱，扫描范围为200-800nm。

2.4.Bi₂WO₆纳米类化合物光催化分解左氧氟沙星

制备的Bi₂WO₆ 的光催化活性通过使用圆柱形间歇式反应器在室中进行可见光（150W Philips CFL bulb，1475 lux，400-520nm）辅助降解实验来评估。通过外部夹套的水循环将温度保持在25℃。对于模型化合物左氧氟沙星的光催化降解，在恒定搅拌下将适量的催化剂悬浮于100mL药物溶液中。达到吸附-解吸平衡后，药物溶液经受光照。在光催化过程中，约2.5mL样品被用注射器以不同的时间间隔取出，并通过0.45lm注射器过滤器过滤。使用Systronics-2202分光光度计记录药物溶液的吸收光谱并且根据药物的最大波长变化观察降解速率。降解百分比由以下等式计算：

降解百分比=（1-C/C₀）times;100 其中C和C0 是暴露于可见光之后和之前的药物浓度。

2.5.活性物种的检测

使用对苯二甲酸光致发光（PL）技术观察在经照射的Bi₂WO₆光催化剂上·OH自由基的形成。实验步骤与光催化过程类似，不同之处在于药物溶液被5times;10^-4 M对苯二甲酸（TPA）溶解在2times;10^-3 M NaOH中。将适量（0.75g/L）的光催化剂悬浮在100mL的TPA溶液中。在可见光下照射溶液，并在一定时间间隔后取出样品。将收集的样品过滤并在350-550nm的范围内在荧光（Hitachi F-7000）分光光度计上测量，激发波长为315nm。此外，通过使用不同的清除剂如KI，NaN₃，NaCl和HCOOH进行活性物质的作用。

2.6.左氧氟沙星光催化降解中间体的鉴定

液相色谱-质谱（LC-MS）用于研究左氧氟沙星降解过程中产生的反应中间体，使用Micromass Q-TOF micro，Waters系统由C18柱（Waters X-Terra，2.1*100mm，5micro;m）。流动相为15％缓冲溶液（20mM NH₄HCO₂在超纯水，pH4.3）和85％乙腈中。

流速为0.2mLmin^-1 ,注射体积为20micro;L。以电子喷雾阳性（ES ）离子模式扫描样品。

3.结果和讨论

采用超声波辅助水热法制备了Bi₂WO₆纳米类化合物，并研究了它们在可见光照射下光催化降解左氧氟沙星药物的活性。

3.1.制备的Bi₂WO₆纳米类化合物的表征和性质

通过XRD观察制备的Bi₂WO₆纳米类化合物的相结构和纯度。图1（a）显示了Bi₂WO₆样品的XRD图。不同的衍射峰位于2theta;= 28.3°，32.9°，35.8°，47.1°，56.1°，58.5°，68.8°，76.3°和78.6°与（131），（002），（115），（202），（133），（262），（400），（333）和（420）这些Bi₂WO₆ 的正交相晶面（JCPDS No.39-0256）有关，分别具有细胞参数a =5.458Aring;，b =16.430Aring;，c =5.437Aring;[19-22]。没有观察到与杂质有关的其他峰。窄衍射峰证实了Bi₂WO₆ 的良好结晶性质。利用最强峰（2theta;= 28.3°），通过Debye-Scherrer方程计算微晶尺寸为62.30nm。

通过TEM和FESEM检查所制备样品的形态学研究。典型的TEM图像（图1（b）和（c））证明制备的催化剂由具有立方形态的不规则纳米晶体组成。这些纳米复合物高度聚集，边长为50-60nm。从FESEM图像可以得出结论，制备的产品以高密度生长并具有立方体形状（图1(d))。

进行傅里叶变换红外光谱以确定可能的吸附物质。制备的Bi₂WO₆的FTIR光谱见于图2(a).在3422cm^-1 和1620cm^-1 处的吸收带分别归因于Bi₂WO₆ 表面上的O-H基团的拉伸和弯曲模式[23,24].主要的位于400-1000 cm ^-1之间的主要条带归因于W-O拉伸，Bi-O拉伸和W-O-W桥接模式，对应于位于683cm-1的W-O拉伸，437cm^-1,560cm ^-1处的Bi-O带和 W-O-W弯曲振动模式存在于Bi₂WO₆中的820cm^-1，1292cm^-1 ，这与报道的文献很好地匹配[21,25,26]。实验结果证明合成的Bi₂WO₆样品是纯的。热重分析图（图2（b））显示在0至1000℃的温度范围内总重量损失约10％。在100至500℃的区域中观察到的重量损失归因于水分子的蒸发[27].高原区域重量损失是由于去除了Bi2WO6表面上存在的有机溶剂或其残留物。

通过UV-vis DRS光谱观察Bi₂WO₆ 纳米复合物的光物理性质。制备样品的DRS光谱如图3（a）所示在400-650nm的波长范围内。检查了Bi₂WO₆ 纳米复合物可以吸收小于475nm的波长。

这表明可见光吸附是由于内在带隙转变引起的[28].通过在UV-vis DRS曲线上绘制切线并且在475nm波长

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[19055]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word