下载:
-
水资源利用中需要处理水体中的大量排放的污染物，工业废水的有机污染物、农业废水的农药和生活污水中的各种细菌及病毒等，尤其是全球化的趋势下病毒及病原微生物的传播迅速[1]，水消毒已成为全球公共关注的问题[2]. 常用的水消毒工艺包括紫外线消毒和化学消毒两种方式，其中化学消毒中两种主流消毒工艺为液氯消毒和臭氧消毒[3]. 液氯和臭氧均对微生物有很强的杀灭作用，但均会形成多种消毒副产物，对水体造成二次污染[4]. 紫外消毒工艺更加便利安全，能够被广泛应用于污水处理，但其在水中的穿透能力有限且存在光复活现象同样也限制了其实际应用[5]. 因此，需要开发高效抗菌且环境友好的抗菌材料.
近年来，半导体光催化材料可利用光能，产生催化作用使底物发生氧化或还原反应，达到降解废水或空气中的有机污染物[6]，光解水制备氢气[7]、CO2还原[8]以及产生活性氧杀灭或抑制细菌[9 − 10]等目的. 光催化水消毒由Matsunaga等[11]率先提出，利用二氧化钛紫外光照射下的光催化效应对细菌进行灭活，后续研究者也证实了TiO2能够加速紫外光对细菌的作用[12]. 但二氧化钛禁带宽度较宽（锐钛矿3.2 eV，金红石3.0 eV），激发光波段集中在紫外光区，且光生电子与空穴复合率高[13]. 因此，需要对其进行改性使其成为一种既能有效利用可见光又具有优良性能的光催化剂. 类石墨型氮化碳（g-C3N4）是一种不含金属元素的无机半导体光催化材料，因其较窄的禁带宽度（2.7 eV）、能够吸收较宽波长范围内的光（约460 nm）且稳定性高被广泛研究[14]. 将g-C3N4与其他半导体复合构筑异质结，能够促进光催化过程中光生电子与空穴的分离，显著提高光催化性[15]. 较常见的是将两种半导体通过一种电子导体连接，常用的电子导体有Ag、Pt、Au等贵金属以及石墨烯、碳纳米纤维等导电材料[16]. 细菌纤维素（BC）具有多孔的纳米网状结构、高纯度、高结晶度、优异的生物相容性等优点，是一种天然可再生高分子材料，BC经高温碳化成碳化细菌纤维素（CBC），不仅拥有BC的各项优点，还保留三维纳米网状结构，将其作为异质结的导电材料可以增加半导体的分散性.
本研究将g-C3N4、TiO2和CBC通过不同的合成包裹方法复合构建三元异质结光催化剂，选择TiO2、g-C3N4作为电子载体和受体，CBC作为电子传递的桥梁，拟定该体系可以有效的抑制e-和h+复合，从而提高光催化性能，增强杀菌效果. 由不同制备方法合成该体系的两种复合材料CNTC和TCNC，表征了两种复合材料的结构形貌、光学性质，并对其光电化学性能及光催化杀菌性能进行了分析和比较，通过自由基捕获实验验证了材料的光催化抗菌机理和Z型异质结的构建，并且在水消毒循环抗菌实验中展现了其稳定性的差异，本研究为构建g-C3N4和TiO2异质结光催化剂体系奠定理论基础，提供简单方便的制备高效光催化抗菌剂的方法，可应用于光催化水消毒方面.
-
g-C3N4的制备：取一定量的尿素晶体烘干研磨后置于马弗炉中，10 ℃·min−1升到550 ℃，保温2 h，即得到淡黄色的g-C3N4，此步骤产率约为5%.
TiO2的制备：采用水热法制备，将1.5 mL钛酸四丁酯（TBOT）加入35 mL无水乙醇中，快速搅拌15 min至分散均匀，再加入0.500 g乙酸铵搅拌至溶解，转移至特氟龙反应釜中，置于烘箱180 ℃反应18 h，将反应后的悬浮液离心后洗涤、干燥，即得白色的TiO2.
CBC的制备：将BC薄膜冻干后在惰性气氛下以5 ℃·min−1速率升温至碳化温度800 ℃，反应5 h后冷却至室温，得到碳化细菌纤维素（CBC）.
TCNC的制备：称取一定量尿素晶体、二氧化钛粉末和碳化细菌纤维素粉末（质量比60∶2∶0.03），充分研磨使混合均匀，在马弗炉中以10 ℃·min−1的速率升温至550 ℃保温2 h，得到灰色偏黄TiO2/g-C3N4-CBC样品粉末，记为TCNC（理论产物中g-C3N4、TiO2、CBC的质量比为3∶2∶0.03）.
CNTC的制备：将氮化碳、碳化细菌纤维素以100∶1质量比研磨混匀. 在上述水热法制备TiO2 的过程中，待乙酸铵溶解后加入0.5315 g混匀后的氮化碳与碳化细菌纤维素粉末，搅拌均匀后进行水热反应，得到灰白色g-C3N4/TiO2-CBC样品，记为CNTC（理论产物中g-C3N4、TiO2、CBC的质量比为3∶2∶0.03）. 相同制备方法不掺杂CBC得到复合材料CNT.
-
采用Therno Nicolet公司Nexus傅里叶变换红外光谱仪表征抗菌剂的化学组成和结构；采用Carl Zeiss公司Zeiss Ultra Plus场发射扫描电子显微镜和JEM-1400Plus高分辨透射电子显微镜对样品微观形貌进行观测；采用D/MAX-RB转靶X射线衍射仪表征样品晶体结构，测试以铜为靶材产生Cu Kα（λ=0.15418 nm）射线，测试2θ角范围为10 °—80 °；采用PerkinElmer公司Lambda 750 s紫外可见近红外分光光度计进行材料光吸收范围及光吸收程度检测，并根据测试结果计算得到样品禁带宽度.
-
光电化学性能测试在三电极体系下进行，所用光源为PL-XQ 500 W氙灯，对电极采用Pt电极，参比电极为Ag/AgCl电极，光催化剂涂覆的氟掺杂锡氧化物（FTO）导电玻璃为工作电极，电解液为0.5 mol·L−1 Na2SO4溶液.
-
在PL-XQ 500 W氙灯照射下，通过光催化剂对大肠杆菌的灭活来研究其抗菌性能. 将催化剂溶液用PBS缓冲溶液稀释后加入菌液中，使样品最终浓度为10 mg·mL−1，菌液最终浓度为1×107 CFU mL−1. 取400 μL混合液置于48孔板中，在氙灯下搅拌光照30 min，光照结束后将溶液稀释500倍，取100 μL均匀涂布在LB固体培养基上，置于37 ℃培养箱孵育12 h,观察结果并计数，与未经氙灯光照的混合液菌落数进行对比，计算材料抑菌率. 所有的光催化细菌灭活实验均重复进行3次.
-
为了研究在光催化抗菌过程中起主要作用的活性物种，研究中借鉴已有的方法[17 − 18]，分别在光催化抗菌反应体系中加入1mmol L−1的草酸钠（SO）来捕获空穴（h+），1 mmol L−1的异丙醇（IPA）来捕获羟基自由基（•OH），0.05 mmol L−1的对苯醌（BQ）捕获超氧阴离子（
$ {·\mathrm{O}}_{2}^{-} $ ）, 1 mmol L−1的重铬酸钾（K2Cr2O7）捕获电子（e-）, 具体实验过程与“1.4”保持一致，使用单独捕获剂与细菌在光照下的反应作为对照组.单线态氧的检测：采用1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）作为单线态氧自由基（1O2）捕获剂[19]，将光催化材料与一定浓度的DPBF无水乙醇溶液混合在氙灯下光照后离心，测量上清液的紫外吸收光谱.
-
复苏大肠杆菌与PBS缓冲液及一定量抗菌剂装入培养瓶中，使体系内最终菌液浓度为1×107 CFU·mL−1，样品浓度为1 mg·mL−1. 避光搅拌30 min实现材料与菌液的吸附-解吸平衡，之后在氙灯照射下保持搅拌，分别于0、0.5、1、2、3、4 h取样200 μL稀释250倍，取100 μL均匀涂布在LB固体培养基上，置于37 ℃培养箱倒置培养12 h，观察结果并计数. 为测试光催化剂循环抗菌能力，上述实验结束后将混合液置于紫外灯下光照30 min充分灭菌，静置过夜后加入定量的菌液和PBS缓冲液，使体系内最终材料浓度、菌液浓度、体系容量与第一次循环保持一致，重复第1次循环实验步骤，依次类推进行3次抗菌循环.
-
通过傅里叶红外光谱研究各样品的化学结构、官能团和化学键，如图1所示. 在CN的红外光谱中，810 cm−1处峰属于三嗪单元，883 cm−1处吸收带为N—H形变模式，在3200 cm−1附近的宽频带可以归因于水分子的吸附和未缩合氨基的N—H振动[20]，1254、1323、1413 cm−1的峰属于芳香族C—N，在1567 cm−1和1632 cm−1处为C—N伸缩振动吸收峰[21]. 在TiO2的红外光谱中，400—800 cm−1处观察到TiO2的特征峰（Ti—O键）. 复合物CNTC、TCNC的红外光谱中可以观察到CN和TiO2的特征峰，证明了两者的成功复合.
-
通过X射线粉末衍射表征各样品的晶格结构，如图2所示. TiO2单体在2θ为25.3 °、37.8 °、48.0 °、53.9 °、55.1 °、62.7 °和75.1 °处衍射峰分别对应于（101）、（004）、（200）、（105）、（211）、（204）和（215）晶面，即锐钛矿晶相（JCPDF No.21-1272）[22]，另发现其在27.5 °、36.0 °、56.7 °处存在的衍射峰对应金红石晶相（JCPDF No.02-0494）的（110）、（101）和（220）晶面，证明合成所得TiO2为锐钛矿与金红石混合晶型. CN单体在13.3 °和27.8 °处峰对应（100）和（002）晶面（JCPDF No.78-1747）[23]. 对于复合材料CNTC和TCNC，其主要衍射峰与TiO2单体一致，但缺少CN的特征衍射峰，仅表现为15 °至24 °范围内受CN峰影响产生的上升趋势，且CNTC较TCNC上升趋势更明显，并且CNTC在27.8 °处峰对应CN（002）晶面有更明显的峰，证明在复合材料合成过程中，CN结晶度会受到制备方法的影响，在TCNC合成过程中结晶度降低，在Zhou等[24]采用气相法沉积CN的研究中也发现生成N—H和C—N的物质会使得被沉积出的CN薄膜为非晶态.
-
利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了合成材料的形貌，结果如图3所示. 图3a中证实合成的CN单体材料为层状结构，在3种复合材料图中也均有体现，但在马弗炉中复合得到的TCNC材料（图3d）中CN层状结构较水热法复合所得的CNT（图3b）和CNTC（图3c）更致密，层状尺寸更小，系CNTC中的CN在煅烧合成时所得即为层状结构，而TCNC中的CN生成于复合过程中，受到TiO2与CBC的掺杂影响，无法形成较完整的层状结构亦缺少分散过程，所以在XRD结果中也较难看到CN明显的结晶峰. TiO2材料为2—3 µm大小的颗粒，在水热法复合所得CNT和CNTC材料的图中均表现为负载在CN表面，而TCNC中未见明显的大量TiO2颗粒存在，可能是由于TiO2在CN生成过程中被包裹于结构内部. CNTC的放大SEM图中还可看见带孔片状结构，上面的小突起对应于CBC的特殊结构[25]，CNTC的TEM如图3（e）所示，可以看见CN的层状结构以及CBC的纤维状结构，证明CBC的成功掺杂. 由此可证明，两种不同复合方式制备所得的三元复合材料具有形貌上的差异，CNTC与TCNC相比，g-C3N4 和TiO2的接触更加均匀，有利于异质结的形成，可能具有更好的光催化效率.
-
通过紫外可见漫反射光谱反应复合物的光学特性，图4a为CN、TiO2、CNTC、TCNC的固体紫外可见漫反射测试结果. 图中可以看出，TiO2的主要吸收波段小于400 nm，为紫外光波段区，而CN的吸收边缘在470 nm左右，具有一定的可见光吸收能力，符合相关文献报道的结果[26]. 利用Tauc方程（αhν）n =Κ（hν—Eg）推导可作出Tauc图，所得图形中的直线部分外推至横坐标的交点即为半导体的禁带宽度. 如图4b-e所示，TiO2单体禁带宽度为3.12 eV，符合锐钛矿（3.20 eV）与金红石（3.00 eV）两晶型混合的情况，CN单体禁带宽度为2.69 eV，两种三元复合材料的禁带宽度为2.63 eV和2.65 eV，即复合材料与单体相比禁带宽度明显变窄，光生电子跃迁所需能量更少，可以吸收更大区域的可见光，是更高效的可见光光催化剂.
-
样品在氙灯间歇照射下的瞬态光电流响应图如图5（a）所示. 由图5可知，CNT具有最小的瞬态光电流响应，而CNTC的瞬态光电流响应值最高，表明CBC的掺杂促进了电荷分离，提高了光利用率. 样品的电化学阻抗如图5（b）所示，CNT、CNTC、TCNC的弧半径大小依次为CNT>TCNC>CNTC，样品EIS图中弧半径越小，电导率和电荷转移性能越好，表明电子-空穴的分离效率越好，CBC的掺杂提高了CNT的电子-空穴分离效率.
-
以常见的E.coli（ATCC25922）为模型评价复合材料在模拟太阳光照射下小体系内光催化抗菌性能. 如图6和图7所示，各组材料浓度均为10 mg·mL−1，CNTC在模拟太阳光下照射30 min后对的E.coli抗菌率达到了99.99%以上，明显高于二元复合材料CNT及CN、TiO2单体，且较TCNC效果更好.
分析其原因：（1）异质结的构建促进了光生电子空穴的分离，提高了光能利用率；（2）SEM结果显示CNTC中g-C3N4和TiO2的接触面积更大、更均匀，有利于异质结的形成. 当光催化剂受到可见光照射时，g-C3N4和TiO2受光激发产生e-和h+,异质结的形成可以抑制光生电子和空穴的复合，空穴氧化水生成–OH，电子和体系中的O2反应生成
$ {\cdot\mathrm{O}}_{2}^{-} $ ，这些自由基与吸附在光催化剂表面的细菌反应，具有强氧化性的自由基会破坏细胞膜通透性引起内部物质流失，氧化和分解DNA链，从而达到杀菌的效果[27]. -
为了研究不同活性物种在灭活E.coli过程中起的作用，在抗菌过程中分别加入草酸钠、对苯醌和异丙醇分别作为h+、
$ {\cdot\mathrm{O}}_{2}^{-} $ 和·OH捕获剂，实验结果如图8（a）所示，在加入草酸钠捕获h+后，CNTC的抗菌率仍为100%，TCNC的抗菌率反而升高，可能是因为草酸钠捕获空穴后抑制了电子和空穴的复合，有更多的电子可以和体系中的O2反应生成$ {\cdot\mathrm{O}}_{2}^{-} $ 从而氧化杀菌. 加入对苯醌捕获$ {\cdot\mathrm{O}}_{2}^{-} $ 后，TCNC和CNTC的抗菌性能均明显下降，证明$ {\cdot\mathrm{O}}_{2}^{-} $ 在光催化抗菌过程中起着重要作用.加入异丙醇作为–OH捕获剂，TCNC和CNTC的抗菌性能均有所下降，证明•OH在光催化抗菌过程中也起着一定的作用. 加入K2Cr2O7对电子进行捕获，发现光催化杀菌性能下降明显，电子捕获剂可以有效分离电子和空穴，但是抑制了超氧阴离子的产生，同时也印证了超氧阴离子在杀菌过程中的重要作用. DPBF检测单线态氧的结果图8（b）所示，在氙灯下光照60 s后，材料组的吸光度明显低于空白组，证明复合材料在氙灯照射下均能产生一定量的单线态氧,也是杀菌的重要活性物质.
据报道，CN的价带最大值（VBM）和导带最小值（CBM）分别为1.57 eV和−1.13 eV[28], 锐钛矿型TiO2的VBM和CBM分别为2.64 eV和−0.56 eV，金红石型TiO2的VBM和CBM分别为2.7 eV和−0.3 eV[29]. E（O2/
$ {\cdot\mathrm{O}}_{2}^{-} $ ）=−0.33 eV vs NHE, 因此CN和锐钛矿型TiO2均可以还原O2生成$ {\cdot\mathrm{O}}_{2}^{-} $ ；而E（OH−/·OH）=1.99 eV vs NHE, E（H2O/·OH）=2.34 eV vs NHE, 因此CN单独不具有产生·OH的能力，TiO2则可以氧化OH−或者H2O生成·OH. TiO2和CN有着交错的带隙，可能形成传统Ⅱ型异质结或Z型异质结. 若利用传统异质结来解释光催化机理，在可见光照射下，CN和TiO2受光激发产生e−和h+,CN的CB产生的e−传输到TiO2的CB，TiO2的VB中的h+则迁移到CN的VB，h+则集中在CN的VB无法产生·OH，这与自由基捕获实验的结果不相符，因此推论形成了Z型异质结，如图9所示，TiO2导带的e−通过导电介质CBC传输到CN的价带，抑制了各自的e−和h+的复合，并且保留了具有较高氧化电位的TiO2的h+和较强还原电位的CN的e−.有趣的是，在光催化抗菌过程中CNTC会产生更多的•OH，而TCNC会产生更多的
$ {·\mathrm{O}}_{2}^{-} $ . 由SEM可知CNTC的结构为TiO2较均匀的负载在CN的表面，TiO2暴露更多活性位点，而TCNC的结构中TiO2更多的被包覆在CN内部，因此CNTC比TCNC产生较多的•OH. 葛艳清[30]制备出一种TiO2/BP/ g-C3N4复合光催化剂，研究发现TiO2的加入可以减弱CN的层间堆积，暴露出CN更多的活性位点，从而提高CN的光吸收强度. 由SEM可知TCNC中CN的生成受到了TiO2和CBC的影响，减弱了CN的层间堆叠，CN的尺寸更小，因此暴露CN更多的活性位点，这可能是TCNC产生更多的$ {·\mathrm{O}}_{2}^{-} $ 的原因. 这也与复合材料为Z型异质结的结论相互验证，异质结保留了TiO2的h+和CN的e−，既有效分离空穴电子对，又能保留强氧化还原电位. -
为适应实际水消毒过程对光催化剂的低浓度要求，依次降低CNTC的浓度观察其抗菌性能变化程度. 如图10所示，在48孔板内模拟太阳光光照1 h后，5、2、1 mg·mL−1浓度CNTC均具有较好的抗菌性能，各浓度间抗菌效率差异不明显，可能是体系中若光催化剂浓度过高会使得光穿透效应受阻，要获得最佳的光催化效果可以选用较低的材料浓度，适当延长光照时间. 经计算得，3种浓度对应抗菌率均达到90%以上，在后续水消毒实验中选取其中最低浓度1 mg·mL−1作为抗菌剂浓度进行循环测试.
利用回收光催化剂进行循环水消毒实验，考察材料对水消毒的稳定性. 如图11和12所示，在前两个循环内，CNTC光照4 h能使大肠杆菌完全灭活，第3次循环结束，CNTC的Log CFU （mL−1）值为3.69，计算其抗菌率为99.87%，仍有较优异的抗菌性能. TCNC第一次水消毒抗菌率99.93%，在第3次水消毒循环中抗菌性能有明显的下降，计算抗菌率为74.70%. 两种复合物经过了水消毒循环后抗菌性能均有所下降，TCNC抗菌率下降得更多，对其3次循环后材料进行洗涤、干燥后测试XRD如图13所示，发现其晶体结构没有明显变化，具有良好的结构稳定性. 抗菌性能下降的原因可能是：经过了3次抗菌循环，未对催化剂本身进行洗涤回收，而是紫外灭菌处理后直接使用同一体系进行循环实验，体系中存在大量细菌残留物，会附着在催化剂表面阻挡光催化活性位点，从而影响光催化性能. 尽管存在上述问题，CNTC较TCNC具有更优异的抗菌性能，第3次抗菌循环杀菌率高达99.87%，证明其有可用于更多次循环消毒的潜力.
-
在本研究中，首次将g-C3N4/CBC/TiO2光催化剂用于模拟太阳光照射下的水消毒，成功合成了二氧化钛和氮化碳包覆方式不同的两种复合物CNTC和TCNC. 结果表明CNTC和TCNC的禁带宽度均低于单体g-C3N4和TiO2，可以吸收更大区域的可见光，具有更优异的光催化性能. 抗菌实验表明，在模拟太阳光照射下复合物的抗菌性能远远高于单体材料，对大肠杆菌显示出显著的杀菌效果，自由基捕获实验表明材料在模拟太阳光照射下能产生等h+、e−、
$ {·\mathrm{O}}_{2}^{-} $ 、•OH和1O2等自由基团，是杀菌的主要活性物质. 由于形貌不同，产生不同自由基的能力也不同，较小的氮化碳尺寸以及材料的均匀复合都有利于光催化性能的提升. CNTC中g-C3N4和TiO2的接触面积更大、更均匀，具有最佳的电荷转移性能，因此具有更优异的光催化性能. 此外，CNTC在水消毒循环应用中具有优异的抗菌性和稳定性，经过了3次循环杀菌，抗菌率为99.87%,为实际水消毒提供了一种高效杀菌材料，具有广阔的应用前景.
碳化细菌纤维素掺杂的氮化碳/二氧化钛光催化杀菌剂的制备及性能
Preparation and properties of photocatalytic bactericide of carbonized Bacterial Cellulose doped Carbon Nitride/Titanium Dioxide
-
摘要: 目前环境修复中面临大量水体有机污染和水体致病菌的问题，可见光驱动的光催化杀菌材料在环境修复及医疗领域有巨大的应用潜力. 本研究开发了一种由氮化碳/二氧化钛/碳化细菌纤维素（g-C3N4/TiO2/CBC）复合的新型三元异质结光催化剂，采用水热法和煅烧法生成氮化碳负载二氧化钛掺杂CBC（g-C3N4/TiO2-CBC，CNTC)和氮化碳包覆二氧化钛掺杂CBC（TiO2/g-C3N4-CBC，TCNC）两种复合材料，对它们的红外吸收光谱、物相组成、微观形貌、光催化机理和抗菌性能进行了分析和比较. 结果表明，两种复合物在可见光下的抗菌活性均远高于g-C3N4和TiO2单体，CNTC和TCNC在模拟太阳光下光照30 min产生了h+、e−、
$ {·\mathrm{O}}_{2}^{-} $ 、•OH和1O2，对大肠杆菌的灭菌率分别为99.99%以上和97.5%以上，在可见光照射水消毒测试中，CNTC和TCNC经过3次循环再利用，仍保持优异的抗菌性能，杀菌率分别为99.87%和74.70%. 证明了CNTC有更优异的抗菌性能和稳定性，在环境水消毒的应用中具有较好的潜力.Abstract: Currently, environmental restoration is faced with a large number of problems of organic pollution and pathogenic bacteria in water. High-efficiency visible light-driven photocatalytic sterilization materials have great application potential in the field of environmental remediation and medical treatment. In this study, a novel ternary heterojunction photocatalyst composed of carbon nitride/titanium dioxide/carbonized bacterial cellulose (g-C3N4/TiO2/CBC) was developed. CBC doped Carbon nitride loaded titanium dioxide (g-C3N4/TiO2-CBC, CNTC) and CBC doped carbon nitride coated titanium dioxide (TiO2/g-C3N4-CBC, TCNC) were synthesized hydrothermal method and calcination method, and their infrared absorption spectrum, phase composition, micro-morphology, photocatalytic mechanism and antibacterial properties were analyzed and compared. The results show that the antibacterial activities of the two complexes are much higher than those of g-C3N4 and TiO2 monomers. CNTC and TCNC produced h+、e−、$ {·\mathrm{O}}_{2}^{-} $ 、•OH and 1O2 under visible light for 30 min, and the sterilization rates of E.coli were above 99.99% and 97.5% respectively. In the disinfection test of water irradiated by visible light, CNTC and TCNC remained excellent antibacterial properties after being recycled for three times, and the sterilization rates were 99.87% and 74.70% respectively. The results were demonstrated that CNTC has better antibacterial performance and stability, and has good potential in the application of environmental water disinfection.-
Key words:
- photocatalyst /
- carbon nitride /
- titanium dioxide /
- water disinfection.
-
-
图 3 CN（a）、CNT（b）、CNTC（c）、TCNC（d）SEM图和CNTC的TEM图（e）
Figure 3. SEM and TEM images of different materials:（a） CN;（b） CNT;（c） CNTC;（d） TCNC;（e） TEM of CNTC
图 5 （a） 样品的光电流曲线图（I-T）; （b） 样品的电化学阻抗图（EIS）
Figure 5. （a） Photocurrent graph of the samples （I-T）; （b） electrochemical impedance spectroscopy （EIS） of the sample
图 6 不同材料对E.coli的抗菌效果图
Figure 6. Antibacterial effect of different materials on E.coli.
图 7 不同材料在模拟太阳光下对E.coli的抗菌效率
Figure 7. Antibacterial efficiency of different materials against E.coli under simulated sunlight.
图 8 （a） 光催化抗菌过程中自由基捕获剂对抗菌效率的影响;（b） 复合材料在DPBF中光照60 s后DPBF的紫外吸收光谱图
Figure 8. （a） Effect of radical scavenger on antibacterial efficiency in photocatalytic antibacterial process;（b） Ultraviolet absorption spectrogram of composite materials irradiated in DPBF for 60 s
图 9 g-C3N4/ CBC/ TiO2光催化杀菌示意图
Figure 9. g-C3N4/ CBC/ TiO2 photocatalytic antibacterial schematic diagram
图 10 不同浓度CNTC对E.coli的抗菌效果图
Figure 10. Antibacterial effect of CNTC with different concentrations on E.coli
图 11 TCNC和CNTC在不同循环过程中的lg CFU（ mL−1）值
Figure 11. lg CFU（ mL−1） values of TCNC and CNTC in different cycles.
图 12 TCNC 和 CNTC 在第3次循环过程中的抗菌效果图
Figure 12. The antibacterial effect of TCNC and CNTC during the third cycle.
-
[1] 钟庆. Bi7O9I3复合光催化剂的制备及其在光催化消毒中的应用[D]. 广州: 华南理工大学, 2021. ZHONG Q. Preparation of Bi7O9I3 composite photocatalyst and their application on photocatalytic disinfection[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2021 (in Chinese).
[2] de J SILERIO-VÁZQUEZ F, NÚÑEZ-NÚÑEZ C M, PROAL-NÁJERA J B, et al. A systematic review on solar heterogeneous photocatalytic water disinfection: Advances over time, operation trends, and prospects[J]. Catalysts, 2022, 12(11): 1314. doi: 10.3390/catal12111314 [3] 李晓怡, 吴珍涓, 陈欣, 等. 我国农村污水处理工艺分析及性能比较[J]. 农村实用技术, 2020(10): 177-178. LI X Y, WU Z J, CHEN X, et al. Analysis and performance comparison of rural sewage treatment process in China[J]. Nongcun Shiyong Jishu, 2020(10): 177-178 (in Chinese).
[4] LI Y P, WANG Q, HUANG L Y, et al. Enhanced LED-light-driven photocatalytic antibacterial by g-C3N4/BiOI composites[J]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2019, 30(3): 2783-2794. doi: 10.1007/s10854-018-0554-3 [5] HAAKEN D, SCHMALZ V, DITTMAR T, et al. Limits of UV disinfection: UV/electrolysis hybrid technology as a promising alternative for direct reuse of biologically treated wastewater[J]. Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua, 2013, 62(7): 442-451. doi: 10.2166/aqua.2013.134 [6] CHEN D J, CHENG Y L, ZHOU N, et al. Photocatalytic degradation of organic pollutants using TiO2-based photocatalysts: A review[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 268: 121725. doi: 10.1016/j.jclepro.2020.121725 [7] YAVUZ C, ERTEN-ELA S. Solar light-responsive α-Fe2O3/CdS/g-C3N4 ternary photocatalyst for photocatalytic hydrogen production and photodegradation of methylene blue[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2022, 908: 164584. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.164584 [8] WHITE J L, BARUCH M F, PANDER III J E, et al. Light-driven heterogeneous reduction of carbon dioxide: Photocatalysts and photoelectrodes[J]. Chemical Reviews, 2015, 115(23): 12888-12935. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00370 [9] WANG Z C, WANG Y X, PENG X Y, et al. Photocatalytic antibacterial agent incorporated double-network hydrogel for wound healing[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2019, 180: 237-244. doi: 10.1016/j.colsurfb.2019.04.043 [10] 余致汐, 贺南南, 陈欢, 等. 甲壳素复合石墨相氮化碳的制备及光催化杀菌性能[J]. 环境化学, 2020, 39(5): 1271-1278. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019081206 YU Z X, HE N N, CHEN H, et al. Preparation of chitin composite graphite phase carbonitride and its photocatalytic sterilization performance[J]. Environmental Chemistry, 2020, 39(5): 1271-1278 (in Chinese). doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019081206
[11] MATSUNAGA T, TOMODA R, NAKAJIMA T, et al. Photoelectrochemical sterilization of microbial cells by semiconductor powders[J]. FEMS Microbiology Letters, 1985, 29(1/2): 211-214. [12] GELOVER S, GÓMEZ L A, REYES K, et al. A practical demonstration of water disinfection using TiO2 films and sunlight[J]. Water Research, 2006, 40(17): 3274-3280. doi: 10.1016/j.watres.2006.07.006 [13] 程萍, 顾明元, 金燕苹. TiO2光催化剂可见光化研究进展[J]. 化学进展, 2005, 17(1): 8-14. doi: 10.3321/j.issn:1005-281X.2005.01.002 CHENG P, GU M Y, JIN Y P. Recent progress in titania photocatalyst operating under visible light[J]. Progress in Chemistry, 2005, 17(1): 8-14 (in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1005-281X.2005.01.002
[14] CAO S W, LOW J, YU J G, et al. Polymeric photocatalysts based on graphitic carbon nitride[J]. Advanced Materials, 2015, 27(13): 2150-2176. doi: 10.1002/adma.201500033 [15] WEI H, McMASTER W A, TAN J Z Y, et al. Mesoporous TiO2/g-C3N4 microspheres with enhanced visible-light photocatalytic activity[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2017, 121(40): 22114-22122. [16] 张梦凡, 张振民, 贾静雯, 等. Z-型异质结光催化剂的设计、制备和应用研究进展[J]. 有色金属科学与工程, 2020, 11(3): 18-32. ZHANG M F, ZHANG Z M, JIA J W, et al. Research progress in the design, fabrication and application of Z-scheme heterojunction photocatalysts[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2020, 11(3): 18-32 (in Chinese).
[17] 邵文惠, 胡欣, 尚静, 等. 高效广谱复合光催化抗菌剂Ag-AgVO3/BiVO4的设计合成及抗菌机制[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 102-112. SHAO W H, HU X, SHANG J, et al. Design, synthesis and photocatalytic antibacterial mechanism of Ag-AgVO3/BiVO4 composite as a high-efficient and broad-spectral antibacterial agent[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2022, 43(10): 102-112 (in Chinese).
[18] HE D Y, ZHANG Z C, XING Y, et al. Black phosphorus/graphitic carbon nitride: A metal-free photocatalyst for “green” photocatalytic bacterial inactivation under visible light[J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 384: 123258. doi: 10.1016/j.cej.2019.123258 [19] WANG C F, LUO Y, LIU X M, et al. The enhanced photocatalytic sterilization of MOF-Based nanohybrid for rapid and portable therapy of bacteria-infected open wounds[J]. Bioactive Materials, 2022, 13: 200-211. doi: 10.1016/j.bioactmat.2021.10.033 [20] YU J G, WANG K, XIAO W, et al. Photocatalytic reduction of CO2 into hydrocarbon solar fuels over g-C3N4-Pt nanocomposite photocatalysts[J]. Physical Chemistry Chemical Physics: PCCP, 2014, 16(23): 11492-11501. [21] XIANG Y M, ZHOU Q L, LI Z Y, et al. A Z-scheme heterojunction of ZnO/CDots/C3N4 for strengthened photoresponsive bacteria-killing and acceleration of wound healing[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2020, 57: 1-11. [22] 周建伟, 褚亮亮, 王储备, 等. 氮化碳改性二氧化钛增强可见光催化活性[J]. 新乡学院学报, 2016, 33(12): 21-26. doi: 10.3969/j.issn.1674-3326.2016.12.008 ZHOU J W, CHU L L, WANG C B, et al. Enhanced visible light photocatalytic activity of TiO2 modified by carbon nitride[J]. Journal of Xinxiang University, 2016, 33(12): 21-26 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1674-3326.2016.12.008
[23] 张娜娜, 金开锋, 周志坚, 等. g-C3N4/TiO2异质结光催化材料的制备及性能研究[J]. 新技术新工艺, 2022(1): 67-71. ZHANG N N, JIN K F, ZHOU Z J, et al. Research on preparation and properties of g-C3N4/TiO2 heterojunction photocatalytic materials[J]. New Technology & New Process, 2022(1): 67-71 (in Chinese).
[24] HE F, CHEN G, ZHOU Y S, et al. The facile synthesis of mesoporous g-C3N4 with highly enhanced photocatalytic H2 evolution performance[J]. Chemical Communications, 2015, 51(90): 16244-16246. [25] 蒋蓉. 碳化细菌纤维素及其复合材料的制备对油水分离性能的研究[D]. 常州: 常州大学, 2022. JIANG R. Study on the preparation of carbonated bacterial cellulose and its composite materials in the oil-water separation performance[D]. CHangzhou: Changzhou University, 2022 (in Chinese).
[26] TONG Z W, YANG D, XIAO T X, et al. Biomimetic fabrication of g-C3N4/TiO2 nanosheets with enhanced photocatalytic activity toward organic pollutant degradation[J]. Chemical Engineering Journal, 2015, 260: 117-125. [27] 李媛, 韩玲珏, 王玥, 等. 光催化抗菌剂在医用抗菌方面的应用进展[J]. 中国材料进展, 2023, 42(2): 144-154. LI Y, HAN L J, WANG Y, et al. Application progress of photocatalytic AntibacterialAgents in medical antibacterial[J]. Materials China, 2023, 42(2): 144-154 (in Chinese).
[28] WANG W J, YU J C, XIA D H, et al. Graphene and g-C3N4 nanosheets cowrapped elemental α-sulfur as a novel metal-free heterojunction photocatalyst for bacterial inactivation under visible-light[J]. Environmental Science & Technology, 2013, 47(15): 8724-8732. [29] 马新国. 锐钛矿型TiO2表面的理论研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2006. MA X G. Theoretical study of anatase TiO2 surface[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2006 (in Chinese).
[30] 葛艳清. 氮化碳及其复合材料的制备与光催化降解染料性能研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2022. GE Y Q. Preparation of carbon nitride and its composites and study on photocatalytic degradation of dyes[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2022 (in Chinese).
-
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 1519
- HTML全文浏览数: 1519
- PDF下载数: 97
- 施引文献: 0
