一种用于高效降解环丙沙星的温度敏感改性Ag - Poly(邻苯二胺)光催化剂

作者单位：江苏大学

摘要

采用简单固相法合成磁性碳材料，通过分子印迹法和微波法在磁性碳材料表面形成修饰印迹层，最后得到修饰印迹ag -聚邻苯二胺(Ag-POPD)光催化剂对抗生素环丙沙星进行降解。制备的光催化剂对温度非常敏感，环丙沙星在环境环境(25°C)中的降解率比40°C时高73.25%。该光催化剂对环丙沙星具有很高的选择性，并且由于其磁性而便于回收。Ag与磁性碳材料的协同作用加速了载流子的空间分离，从而显著提高了光催化活性。并对复合光催化剂的光催化降解机理进行了详细的讨论。该方法是一种新的单步连续微波合成方法，也为材料的修饰/调谐开辟了新的途径。

关键词:微波法;修饰印迹Ag-POPD;温敏光催化剂

简介

在上个世纪医学的快速发展中，抗生素在人类和动物疾病的治疗中都发挥了关键作用。然而，目前常用的抗生素，尤其是未消化的抗生素，有相当一部分进入环境，造成严重的问题[1-4]。环丙沙星(CIP)是一种氟喹诺酮类抗生素，因其在水中的高溶解度而成为最难降解的抗生素污染物之一。目前处理医药废弃物的最佳工艺是光催化降解，它既环保又高效[6-11]。Qin等通过控制电荷的单向取向制备了量子点自修饰的Bi 2MoO6/Bi4Ti3O12光催化剂。这些催化剂能有效地降解有机污染物。Murtaza等人和Chan等人利用γ射线辐照产生氧化(·OH)和还原物种(·H)，在处理各种污染物方面取得了很大的成就[13-15]。Zhang等制备了磁性可回收的Fe3O4/CdS/ g-C3N4光催化剂，可在可见光下有效降解环丙基。寻找高效的光催化剂来降解抗生素是多年来的一个重要研究课题。除了光催化，分子印迹也很常见。分子印迹技术通过模拟酶与底物或抗体与抗原之间的锁/键相互作用来识别特定分子(“模板分子”)[16,17]。通过分子印迹技术，可以在降解氟喹诺酮类抗生素的过程中(选择性地)去除废水中的某些高危污染物，同时最大限度地减少其他污染物的干扰[18-21]。目前常见的光催化半导体有TiO2、g-C3N4、W2O3、bivo4和过渡金属硫化物[22]。其中，聚邻苯二胺(Poly (o-phenylenediamine)， POPD)是一种含有2,3 -二氨基苯肼单元的高芳香共轭聚合物。通过共轭聚合物的共聚可以制备低禁带聚合物。同时，聚(邻苯二胺)(POPD)因其高的热稳定性、优良的电活性和高的环境稳定性而备受关注[23-26]。然而，单组分半导体的催化降解活性不高，因为电子-空穴对很容易重新结合[27-29]。因此，目前提高催化活性的主要方法是对半导体进行元素掺杂，并与一种或两种其他半导体形成异质结。此外，贵金属(Pt、Au、Ag等)纳米颗粒的存在可以有效捕获光生电子，促进光催化[30]。更具体地说，掺杂贵金属颗粒可以增加单个半导体的电子迁移率，产生更多的活性位点。这有助于电子和空穴的分离，表面等离子体共振也增加了光催化剂的光吸收，反过来加速了光催化降解[31,32]。然而，该多相光催化剂在使用后的分离过程中容易丢失。这不仅增加了应用成本，还会导致二次污染。因此，寻找一种能够有效回收的光催化剂显得尤为重要。磁选是利用外加磁场[33]对磁性材料进行筛选的一种技术。通过在光催化剂中添加磁性材料，可以方便地回收磁性复合材料，减少回收过程中催化剂的损失[34,35]。常见的磁性材料通常是含有铁、钴、镍和其他元素的合金。此外，磁性碳材料可以作为磁性载体，也有利于电子的传递。本文设计合成了改性Ag-POPD印迹复合光催化剂，目的是靶向降解抗生素环丙沙星。采用简单固相法合成磁性碳材料，采用微波法制备改性Ag-POPD印迹光催化剂，有效缩短了合成时间。制备的改性Ag-POPD光催化剂对温度非常敏感。因此，通过调节温度[36]可以使抗生素的降解zui有效。其在25℃时的降解率为73.25%，高于40℃时的降解率。此外，它对环丙沙星有良好的选择性。从光吸收效率、电荷分离和电荷注入等方面进一步评价Ag-POPD在光催化中的作用。基于光电化学性质、自由基捕获实验和我们的能带分析，提出了一种合适的光催化机理。

实验

改性印迹Ag-POPD光催化剂的合成将1 g COOH-MC和0.5 g Ag-POPD分散在100 mL DMSO中，在30℃下磁搅拌60 min。将0.1 g环丙沙星(CIP)溶解于溶液中，在30℃下继续搅拌60分钟。随后，在溶液中加入0.1 g NIPAM (n异丙基丙烯酰胺)、1 mL TRIM和0.01 g ABVN。然后，采用微波法(XH-300UL，北京祥鹄科技发展有限公司)在600 W、氮气气氛、40℃下合成材料。60 min后，用无水乙醇和去离子水洗涤5次。随后，在空气中30°C (250 W氙灯)照射5 h去除分子模板(CIP)，并在上述溶液中加入200 mL DI水，同时搅拌。最后，样品用无水乙醇和去离子水多次洗涤，50°C真空干燥。结果得到了修饰的Ag-POPD印迹光催化剂。非印迹Ag-POPD光催化剂的合成过程与改性印迹Ag-POPD光催化剂的合成过程相同。然而，前者是在没有CIP添加和去除的情况下完成的。普通印迹Ag-POPD光催化剂的合成工艺与改性Ag-POPD光催化剂的合成工艺相同，不同之处是前者没有添加NIPAM。

结论

综上所述，采用简便、高效的单步连续微波方法成功制备了改性Ag-POPD印迹光催化剂。改性Ag-POPD印迹光催化剂能选择性降解环丙沙星，且磁碳的存在使光催化剂易于回收。最重要的是，改性Ag-POPD光催化剂对温度敏感。改变温度后，它会生长或收缩，从而实现了抗生素的可控降解。改性印迹AgPOPD光催化剂在25℃下的降解率最好，为73.25%。改性Ag-POPD光催化剂对环丙沙星的光催化降解可以通过改变温度来调节。这种控制的新方法光催化降解可能为未来的新应用打开大门。