一种评价光催化剂降解环境修复中抗生素性能的完整方法

Summary

这里介绍的是一个协议，以酞菁敏化磷酸银复合材料光催化去除水中抗生素有机污染物分子为例，探索一套通用的实验程序，用于环境净化领域的光催化剂的综合实验室评估。

Abstract

在地下水和土壤系统中大量发现各种抗生素，如四环素、金霉素、阿莫西林和左氧氟沙星，可能导致耐药和多重耐药细菌的发展，对人类、动物和环境系统构成威胁。光催化技术因其快速稳定的处理和直接利用太阳能而引起了人们的浓厚兴趣。然而，大多数评估半导体催化剂光催化降解水中有机污染物性能的研究目前尚未完成。本文设计了一个完整的实验方案，用于综合评价半导体催化剂的光催化性能。本文采用室温和常压下采用简单的溶剂相合成法制备菱形十二面体磷酸银。采用溶剂热法制备了Br次酞菁/Ag₃PO₄异质结材料。以300 W氙灯为模拟太阳光源，光强度为350 mW/cm 2，通过研究催化剂用量、温度、pH值、阴离子等不同影响因素，评价了制备的降解四环素材料的催化性能²。与第一个循环相比，构建的BrSubphthalocyanine/Ag 3PO 4在5次光催化循环后保持了82.0%的原始光催化活性，而原始Ag₃PO₄仅保持了28.6%。通过五循环实验进一步测试了磷酸银样品的稳定性。本文为实验室中评估半导体催化剂的催化性能提供了完整的流程，以开发具有实际应用潜力的半导体催化剂。

Introduction

四环素类（TCs）是常见的抗生素，可有效防止细菌感染，广泛用于畜牧业、水产养殖和疾病预防^1，2。由于过去几十年的过度使用和不当应用，以及工业废水的排放，它们广泛分布在水中³.这造成了严重的环境污染和对人类健康的严重威胁;例如，水环境中TCs的过量存在会对微生物群落分布和细菌抗性产生负面影响，导致生态失衡，这主要是由于抗生素的高度亲水和生物蓄积性，以及一定程度的生物活性^{和稳定性4}，^5，6.由于TC在环境中的超稳定性，很难自然分解;因此，已经开发了许多方法，包括生物，物理化学和化学处理⁷，^8，9。生物处理效率高，成本低^10，11.然而，由于它们对微生物有毒，它们不能有效地降解和矿化水中的抗生素分子¹²。虽然物理化学方法可以直接快速地从废水中去除抗生素，但这种方法仅将抗生素分子从液相转化为固相，不能完全降解它们，并且成本太高¹³。

与传统方法相比，半导体光催化由于其高效的催化降解特性，在过去几十年中已被广泛用于污染物的降解¹⁴。例如，Li等人的无贵金属磁性Fe_xMn_y催化剂在不使用任何氧化剂¹⁵的情况下实现了水中多种抗生素分子的高效光催化氧化。Yan等报道了在废弃生物质衍生碳上原位合成百合类NiCo₂O₄纳米片，以实现对水中酚类污染物的高效光催化去除¹⁶。该技术依靠由光激发的半导体催化剂来产生光生电子（e^-）和空穴（h⁺）¹⁷。光生e^-和h⁺通过与吸收的O 2和H 2 O反应转化为超氧阴离子自由基（O 2^-）或羟基自由基（OH^-），这些氧化活性物质氧化并将水中的有机污染物分子分解为CO 2和H ₂ O以及其他较小的有机分子¹⁸，^19，20.然而，光触媒性能评价尚无统一的现场标准。材料的光催化性能评价应从催化剂制备工艺、最佳催化性能的环境条件、催化剂回收性能等方面进行研究。Ag₃PO₄以其突出的光催化能力，在环境修复中引起了极大的关注。这种新型光催化剂在大于420nm的波长下可实现高达90%的量子效率，明显高于先前报道的值²¹。然而，Ag₃PO₄的严重光腐蚀和不理想的电子空穴分离率限制了其广泛的应用²²。因此，已经进行了各种尝试来克服这些缺点，例如形状优化²³，离子掺杂²⁴和异质结构构建^25，26，27。本文采用形貌控制和异质结工程对Ag₃PO₄进行了修饰。首先，在室温常压下通过溶剂相合成制备了具有高表面能的菱形十二面体Ag₃PO₄晶体。然后，采用溶剂热法将兼具电子受体和电子供体的有机超分子BrSubphthalocyanine（BrSubPc）自组装在磷酸银表面²⁸，²⁹，^30，31，³²，^33，34，35.通过研究不同环境因素对制备样品降解水中痕量四环素的光催化性能的影响，评价了所制备材料的光催化性能。本文为材料的光催化性能的系统评价提供了参考，对未来光催化材料在环境修复中的实际应用具有重要意义。

Protocol

1. 准备 BrSubPc

注意:BrSubPc 样品是根据先前发表的工作³⁶ 制备的。反应在双排管真空管路系统中进行，反应过程在无水和无氧条件下严格控制。

1. 原料预处理
   1. 称取2克邻二氰基苯，在真空烘箱中干燥24小时，取出，然后在玛瑙研钵中小心研磨。
   2. 再次放入真空烤箱中1周;然后，将其取出并放入干燥器中。
   3. 测量50mL邻二氯苯，加入1g无水硫酸镁，并在室温（RT）下以中速搅拌混合物24小时。
2. 然后，在减压（-0.1-0.09MPa）下过滤溶液，收集滤液，放在一边。
3. 将预处理过的邻二氰基苯（10 mmol，1.28 g）加入 100 mL 舒伦克瓶中，用双排管真空管路装置抽空系统，并用氮气填充系统。然后，在磁力搅拌下以1，000rpm注入50mL预处理的邻二氯苯1小时，以均匀分散邻二氰基苯。
4. 将舒伦克瓶放入冰水浴中，然后在磁力搅拌下以1，000rpm加入1.3mL三溴化硼（_{BBr 3}）120分钟，观察反应体系的颜色变为深棕色。
5. 然后，迅速切换到油浴中，升温至120°C回流10h，观察反应体系的颜色从深棕色变为亮紫色。
6. 停止加热并冷却至室温。 减压过滤溶液（-0.1-0.09MPa）并收集滤饼，滤饼上的紫色固体为粗品。
7. 将获得的BrSubPc粗产物放入真空烘箱中20小时。取出并精细研磨产品。然后，在索氏提取器中用 200 mL 甲醇溶液提取，直到溶液变成无色。

2. 菱形十二面体Ag₃PO₄的制备

注:菱形十二面体Ag₃PO₄ 是根据先前报道的文献³⁵制备的。

1. 反应溶液的制备
   1. 对于名为溶液 1 的 NH₄NO 3 溶液 （0.05 M），将 6 g 硝酸铵（NH₄NO₃，99%）溶解在 200 mL 去离子水中，并在一个循环中用 40 Khz 频率、300 W 功率的超声波处理 5 分钟以使其完全溶解。然后，将其放入 500 mL 容量瓶中以固定体积。
   2. 对于名为溶液 2 的 NaOH 溶液 （0.2 M），将 4 g 氢氧化钠 （NaOH， 99%） 溶解在玻璃烧杯中的 200 mL 去离子水中，并在一个循环中以 40 Khz 频率、300 W 功率超声处理 5 分钟以使其完全溶解。然后，将其放入 500 mL 容量瓶中以固定体积。
   3. 对于名为溶液 3 的 AgNO 3 溶液 （0.05 M），将 4.25 g 硝酸银（AgNO₃，99.8%）溶解在玻璃烧杯中的 200 mL 去离子水中，并在一个周期内以 40 Khz 频率、300 W 功率超声处理 5 分钟以使其完全溶解。然后，将其放入 500 mL 容量瓶中以固定体积。
   4. 对于名为溶液4 的 K 2 HPO 4 溶液 （0.1 M），将 11.41 g 磷酸氢钾（K₂HPO₄，99.5%）溶解在玻璃烧杯中的 400 mL 去离子水中，超声处理 5 分钟使其完全溶解。然后，将其放入 500 mL 容量瓶中以固定体积。
2. 向烧杯中加入 2526 mL 去离子水，然后依次向烧杯中加入 180 mL NH₄NO 3 溶液 （0.4 M）、54 mL NaOH 溶液 （0.2 M） 和 120 mL AgNO₃ 溶液 （0.05 M）。
3. 将溶液剧烈搅拌10分钟以制备[Ag（NH₃）₂]⁺ 复合物。最后，向复合物中加入 120 mL K₂HPO₄ 溶液 （0.1 M） 并搅拌 5 分钟。溶液颜色由无色变为淡黄色后，得到的沉淀为Ag₃PO₄ 菱形十二面体。
4. 通过在室温下以7155.5× g 离心10分钟分离所得沉淀，然后在相同条件下用50mL去离子水离心三次。将菱形十面体_{Ag 3}PO₄ 存放在室温下，置于避光干燥的环境中。

3. 制备 BrSubPc/Ag ₃PO₄

注意:根据1:25、1:50、1:75和1:100的质量比制备了BrSubPc与Ag₃PO₄ 的四种不同复合比例。

1. 将 5.77 mg BrSubPc 溶解在玻璃烧杯中的 50 mL 乙醇中。通过超声处理在一个周期内以 40 kHz 频率、300 W 功率在室温下 30 分钟完全溶解 BrSubPc。
2. 然后，向上述溶液中加入144.25mg的Ag₃PO₄ ，并在室温下以40kHz频率，300W功率在一个周期内超声处理30分钟。
3. 在80°C水浴中搅拌上述溶液，使乙醇完全蒸发。
4. 将所得的棕黄色粉末在60°C的烘箱中干燥过夜。 制备的样品被命名为BrSubPc/Ag₃PO₄ （1:25）。
5. 对于其他复合比例样品（1:50、1:75和1:100），遵循与BrSubPc/Ag 3 PO 4（1:25）相同的制备程序（步骤3.1-3.4），但将BrSubPc的量分别更改为2.94mg，1.97mg和1.49mg，以及相应量的_Ag3PO₄至147.0mg，147.75mg和149.0mg。

4. 样品表征

1. 使用单色Cu-Kα光源λ = 0.15418 nm，在30 kV和15 mA下工作，对粉末材料进行X射线衍射分析。
2. 使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征所制备材料的结构特征;测量波长范围为500-4000 ^cm-1。
3. 通过固体紫外可见（UV-可见）吸收光谱在200-800nm范围内测量所制备材料的吸收性能。
4. 通过扫描电子显微镜在5.00 KV加速电压下，InLens检测器，放大倍率500-13000，工作距离7.4-7.7 mm，确定制备样品的粒径，微观结构和形貌。
5. 5 个循环后取 5 mL 反应溶液，并使用浓缩的 HNO₃ 将体积固定至 10 mL。用电感耦合等离子体发射光谱仪 （ICP-OES） 以 100 r/min 的泵速率、28.0 psi 的雾化器流量、0.5 mL/min 的辅助气体和 20 秒的样品冲洗时间消解反应溶液。

5. 光催化活性测试

注意:光源是 300 W 氙灯，并使用 400 nm 滤光片从光源中去除紫外线。将氙气灯安装在溶液上方15厘米处，确定光强度为350 mW/cm²。

1. 对于供试品溶液，将10mg四环素（TC）溶解在500mL蒸馏水中，得到20ppm溶液。
2. 然后，将50mL的测试TC溶液转移到玻璃光催化反应器中。用磁力搅拌器以1000rpm彻底搅拌溶液，并将温度保持在25°C。 然后，打开气泵开关，以 100 mL/min 的速率将空气添加到溶液中以保持空气饱和度。
3. 向供试品溶液中加入50mg制备好的光催化剂，以达到1g/L的浓度。
4. 立即使用玻璃注射器取第一个样品（3 mL）。在黑暗中搅拌30分钟后，取第二个样品并打开光源。
5. 照射5分钟，10分钟，15分钟，20分钟和30分钟后，取液体样品（3mL）。在分析前，通过0.22μm尼龙膜过滤所有提取的样品以去除固体颗粒。将过滤后的样品远离光线储存在 5 mL 离心管中直至分析。
6. 用紫外-可见分光光度计在356nm处测量TC的浓度。通过降解速率评估光催化效果;降解速率的具体计算公式如下（公式（1））。
   (1)
   其中，A₀ 是照明前样品的吸光度，A是样品在照明时间t分钟的吸光度。
7. 对不同的催化剂剂量使用相同的实验程序，起始催化剂量为30 mg，40 mg，50 mg，60 mg和70 mg。
8. 对于不同pH值的实验，用0.01mol/L HCl和NaOH溶液将四环素溶液（50mL，20mg / L）的pH值调节在2.0和9.0之间。使用BrSubPc/Ag₃PO₄ 作为催化剂，催化剂剂量为50mg。对于其他光催化实验程序，请按照前面描述的步骤5.2-5.6进行操作。
9. 以BrSubPc/Ag₃PO₄ 为催化剂，催化剂用量为50 mg，溶液pH = 6，研究反应温度对四环素光降解的影响;温度范围为10-50°C。 其它光催化实验程序与前面描述的步骤5.2-5.6相同。
10. 通过分别添加5 mmol/L Na 2 SO₄、5 mmol/L Na₂CO 3、5 mmol/L_NaCl和5 mmol/L NaNO₃至50 mL四环素溶液，研究了不同阴离子对催化剂光催化性能的影响。使用BrSubPc/Ag₃PO₄作为催化剂，催化剂剂量为50mg，溶液pH = 7。其它光催化实验程序与前面描述的步骤5.2-5.6相同。
11. 在每个光催化降解反应循环后，将反应溶液在室温下以7155.5× g 离心10分钟，然后在相同条件下用10mL去离子水离心3次（3×10mL）。将固体在120°C干燥1小时。使用光催化剂进行五次连续光降解实验，这些光催化剂在每一步后回收，催化剂的总浓度没有变化，以评估BrSubPc/Ag₃PO₄ 光催化剂的稳定性。

Results

采用该溶剂相合成法成功合成了菱形十二面体Ag₃PO₄。图1A，B所示的SEM图像证实了这一点。根据SEM分析，发现菱形十二面体结构的平均直径在2-3μm之间。原始的BrSubPc微晶显示出大的不规则薄片结构（图1C）。在复合样品中，二氧化钛仍保持了原来的纳米球结构，但没有发现酞菁片结构，这意味着酞菁分子均匀地自组装在钛白粉表面（图1D）。如图2A所示，所有样品均显示位于Ag 3 PO 4（JCPDS No. 06-0505）的体心立方结构的（110）、（200）、（210）、（210）、（210）、（222）、（320）、（321）、（400）、（330）、（330）、（330）、（330）、（421）和（332）面的特征峰，分别归因于Ag₃PO₄（JCPDS No. 06-050...

Discussion

在本文中，我们提出了一种评估光催化材料催化性能的完整方法，包括催化剂的制备、影响光催化的因素的研究以及催化剂回收性能。该评价方法是通用的，适用于所有光催化材料性能评价。

在材料制备方法方面，已经报道了许多使用不同前体^21，22制备菱形十二面体Ag₃PO₄的方案。我们采用的方法在Ag₃PO₄合成的形状上比较均匀，合成工艺简单，可以大量合成，影响实验过程的因素较少。需要注意的是，硝酸铵是合成Ag₃PO₄的原料，是一种氧化剂，受剧烈冲击或受热的爆炸性分解，因此应贮存使用，避免剧烈冲击。在复合材料的合成过程中，首先将BrSubPc溶解在足量的乙醇溶液中，破坏BrSubPc分子之间的弱力（氢键，π−π相互作用），然后加入适量的Ag 3 PO 4，加热蒸发乙醇，其间BrSubPc分子通过分子间氢键和π−π相互作用在Ag

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
300 W 氙灯	CeauLight	CEL-HXF300
AgNO3	Aladdin Reagent （Shanghai） Co.， Ltd.	7783-99-5
新生集团有限公司	泵	ACO-001
BBr3	百灵威科技有限公司	10294-33-4
恒温循环水浴锅	北京昌柳科学仪器有限公司	HX-105
二氯甲烷	天津科妙欧化学试剂有限公司	75-09-2
乙醇	天津富裕精细化工有限公司	64-17-5
傅里叶变换红外	Bruker	Vector002
己烷	天津科渝化工试剂有限公司	110-54-3
HNO3	阿拉丁试剂（上海）有限公司	7697-37-2
ICP-OES	Aglient	5110
K2HPO4	阿拉丁试剂（上海）有限公司	16788-57-1
硫酸镁	天津市科渝化工试剂有限公司	10034-99-8
甲醇	天津科渓化工试剂有限公司	67-56-1
NaOH	阿拉丁试剂（上海）有限公司	1310-73-2
NH4NO3	国药集团化学试剂有限公司	6484-52-2
邻二氯苯	天津富裕精细化工有限公司 Tianjin Fuyu Fine Chemical Co.， Ltd.	95-50-1
邻二氰基苯	国药集团化学试剂有限公司	91-15-6
扫描电子显微镜	JEOL	JSM-6390
三氯甲烷	天津科妙欧化学试剂有限公司	67-66-3
紫外可见分光光度计	岛津	UV-3600
X 射线衍射仪	理学	D/max-IIIA