基于MOFs的磁性微纳米催化剂的可控制备及性能研究

论文摘要

随着经济和科技的快速发展,人们的生活质量在得到改善的同时不得不关注随之而来的环境安全和健康问题,特别是水环境问题。水,与我们的日常生活息息相关,是地球上的人类与动物赖以生存的重要资源。地球上的淡水资源并不丰富,能够为人类所利用的更是少之又少,加之其分布不均,导致全球约有五分之一的人口存在安全用水方面的问题。另外,由于人类活动的影响,大量未经处理的工业、农业废水和生活污水被排入江河湖海,水中污染物的种类日趋繁多,成分日趋复杂,这大大超出水体的自净能力,不能够通过水中动植物的生物代谢进行分解去除,最终可能酿成全球性水污染现象的发生和用水紧缺的危机。金属有机框架（Metal organic frameworks,MOFs）材料,是利用无机金属离子或离子团簇与有机配体的结合,产生的一种具有不饱和金属位点,可调整孔径尺寸,超高孔隙率和巨大比表面积特点的晶体微孔材料。它的制备过程简单,原料易得,特殊的结构赋予其优异的吸附性能。近十年来,研究人员通过多种功能材料与MOFs相结合形成MOFs复合物,这种复合材料在改善MOFs本身稳定性较差的缺陷的同时,还引入了功能材料的优点（如光学、电、磁和催化性能）。利用二者的协同作用得到具有新功能的新型MOFs复合材料是当下的研究热点,使得MOFs的应用领域不断扩大,在功能和保护涂层、存储、分离、多相催化、传感和生物学等领域有着广阔的应用前景。本论文以MOFs材料为基础,制备合成两种催化剂,选取印染废水中的染料亚甲基蓝（Methylene Blue,MB）和医药废水中的抗生素为研究对象,具体研究内容和结果如下:1.负载Pd的磁性中空纳米反应器的制备及其催化性能的研究通过一种简单的方法构建负载贵金属Pd的中空磁性纳米反应器（hollow magnetic nanoreactor loaded Pd,记作HMN/Pd）。首先,通过溶剂热法和刻蚀SiO2合成得到中空Fe3O4并将它作为磁源,由于内部空腔的存在,材料具有很大的比表面积;然后充分利用MOFs的特点制备得到HMN纳米粒子,它具有大量反应接触吸附位点,并且能够保护中空部分免受外界环境的影响,改善了材料的稳定性并拓宽了它在酸性,碱性和其他特殊条件下的适用范围;最后,将贵金属Pd通过还原PdCl2的方式负载在基体上得到HMN/Pd,由于MOFs多孔道的分散特性,金属纳米粒子的团聚问题得到改善。以NaBH4作为还原剂,该催化材料可用于催化还原亚甲基蓝和对硝基苯酚,与已经报道的同类型其他催化剂相比,HMN/Pd表现出令人满意的性能,在2 min内即可还原较高浓度的亚甲基蓝;并且由于具有磁性,其分离循环使用过程变得更加简单方便,大大降低了成本;该材料能够重复利用10次,其形态和负载其上的Pd纳米粒子流失量变化都不大,且放置一个月后仍能保持良好催化性能,具有较好的稳定性。2.基于核壳MOFs制备的催化剂用于水中抗生素的催化降解利用核壳型MOFs材料,通过简单方法制备了一种负载碳纳米管的Co氧化物催化剂,并将其用于水中抗生素的降解。首先通过合成组装得到核壳型Zn/Co MOFs材料,它的比表面积超过1000 m2g-1,具有MOFs材料典型的比表面积大的特点;将它在920oC下热解,MOFs中的金属锌离子蒸发,与Co离子的催化作用共同促进了碳纳米管和内部空腔的形成,得到内部具有空腔,表面具有碳纳米管的催化剂Co CNTs,但是,此时的催化剂表面同时含有Co纳米粒子,它能够对降解反应起到催化作用,增大化学反应速率,但不利于催化剂的重复使用,通过硫酸去除浮于表面的Co纳米颗粒,并进一步氧化煅烧生成四氧化三钴。经过二次煅烧得到的催化剂具有较大比表面积,可以活化过硫酸盐,产生的自由基降解水中土霉素,去除率可以达到90%以上,并且能够重复使用。该工作也探究了实验条件对催化降解反应的影响。另外,材料本身的磁性能也使得它的分离回收十分方便,通过磁铁即可实现。通过文献查阅,本工作首次将此类型材料用于水环境中土霉素的降解,并得到的较好的去除效果,为此类材料的应用提供了新的方向。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 水环境污染情况及污染物简介
•     1.1.1 水污染简介
•     1.1.2 印染废水简介
•     1.1.3 抗生素污染简介
•   1.2 水污染的处理方式
•   1.3 金属有机框架材料
•     1.3.1 金属有机框架材料简介
•     1.3.2 金属有机框架复合材料
•     1.3.3 MNPs@MOFs材料
•     1.3.4 MOFs@MOFs结合
•   1.4 本学位论文选题指导思想
•   参考文献
• 第二章 负载Pd的磁性中空纳米反应器的制备及其催化性能的研究
•   2.1 引言
•   2.2 实验部分
•     2.2.1 试剂与仪器
• 3O₄纳米微球的合成'>    2.2.2 中空Fe₃O₄纳米微球的合成
•     2.2.3 HMN纳米颗粒的制备
•     2.2.4 HMN/Pd纳米空腔反应器的制备
•     2.2.5 HMN/Pd纳米微球的催化还原
•     2.2.6 HMN/Pd催化剂的循环使用性能与稳定性能
•   2.3 结果与讨论
•     2.3.1 HMN/Pd纳米微球的制备
•     2.3.2 材料形貌与结构表征
•     2.3.3 红外表征
•     2.3.4 XPS表征
•     2.3.5 HAADF-STEM表征
•     2.3.6 XRD表征
•     2.3.7 穆斯堡尔谱表征
•     2.3.8 催化剂的磁性能
•     2.3.9 BET表征
•     2.3.10 催化性能
•     2.3.11 重复使用性和稳定性
•   2.4 本章小结
•   参考文献
• 第三章 基于核壳MOFs制备的催化剂用于水中抗生素的催化降解
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•     3.2.1 原料、试剂及测试仪器
•     3.2.2 Zn/Co MOFs制备
•     3.2.3 Co/CNTs制备
• 3O₄/CNTs与对照组Co₃O₄的制备'>    3.2.4 Co₃O₄/CNTs与对照组Co₃O₄的制备
•     3.2.5催化降解抗生素实验
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 催化材料的制备
•     3.3.2 制备材料的电镜表征图
• 3O₄/CNTs的HAADF-STEM和EDS表征'>    3.3.3 Co/CNTs和Co₃O₄/CNTs的HAADF-STEM和EDS表征
• 3O₄/CNTs的磁性能表征'>    3.3.4 Co/CNTs和Co₃O₄/CNTs的磁性能表征
•     3.3.5 催化材料的XRD表征
• 3O₄/CNTs的BET表征'>    3.3.6 Zn/Co MOFs和Co₃O₄/CNTs的BET表征
•     3.3.7对照实验
•     3.3.8条件实验
•     3.3.9 广谱性
•     3.3.10 重复使用性能
• 3O₄/CNTs的EPR表征及反应机理'>    3.3.11 Co₃O₄/CNTs的EPR表征及反应机理
•   3.4 本章小结
•   参考文献
• 第四章 全文结论
• 攻读硕士学位期间完成的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李敏娜

导师: 周林成

关键词: 金属有机框架,中空结构,催化剂,亚甲基蓝还原,土霉素降解

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 化学,材料科学

单位: 兰州大学

分类号: O643.36;TB383.1

总页数: 87

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