CO2响应碳量子点和碳量子点/溴氧化铋纳米片的制备及催化性能研究

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作为一类新兴的碳纳米发光材料,碳量子点(CQDs)因具有极佳的分散性、可见光吸收能力、光诱导电荷转移等特点引起了研究者们的极大兴趣。在光催化过程中,碳量子点往往表现出较好的催化活性。然而,CQDs优异的分散性使其很难被分离和回收再利用。因此,设计一种多功能的碳量子点使其同时兼具高催化活性和快速分离特征具有十分重要的意义。此外,二维层状卤氧化铋因具有合适的能带结构、稳定的光吸收等特点在光催化领域呈现出较好的应用前景。然而,BiOBr的光催化性能仍受制于弱的可见光吸收能力和高的电子-空穴对再复合速率。将具有良好光吸收和电子受体特性的CQDs负载于BiOBr纳米片上为提高其光催化活性提供了可靠的思路。自此,我们设计了CO2响应可逆相转移的石墨烯量子点和CQDs/BiOBr复合纳米片,并将其应用于胺类的氧化耦合和木质素亚结构降解反应中。本论文的主要研究工作和结果如下:(1)为了解决GQDs难分离和再利用的问题,本论文以石墨为碳源,使用强酸氧化处理得到了羧基包覆的石墨烯量子点GQDs-COOH;再通过3-二甲胺基丙胺进行表面氨化得到了多功能的石墨烯量子点GQDs-DMA。通过TEM、XPS等分析了两种GQDs的物理化学性质。当向体系中通入CO2时,GQDs-DMA可快速的从CH2Cl2相中转移到水相中,当移除CO2时,GQDs-DMA可从水相中返回到原来的CH2Cl2相中,且这种可逆的响应性相转变可以实现多次循环。采用NMR等对这种可逆相转移的机理进行分析,发现其相转移是由GQDs-DMA与CO2、水作用产生质子化/去质子化所引起的。当GQDs-DMA用于光催化胺类的氧化耦合反应时,GQDs-DMA展现出了高的转化率和选择性。最后,利用GQDs-DMA的可逆相转移特性,能实现GQDs-DMA的分离和回收再利用。(2)为了提高BiOBr纳米片的光催化活性,本论文以柠檬酸、尿素、硫脲和硼酸为前驱体,通过水热法合成了B、N、S三元共掺杂的碳量子点B,N,S-CQDs。然后以Bi(NO33·5H2O和Na Br为铋源和溴源,加入一定量的CQDs后,再次采用水热法合成了CQDs-BiOBr复合纳米片。运用XRD、XPS等方法分析了纳米片的结构、光学性质和化学构成。使用光电化学和EPR等测试表明CQDs的负载能有效地改善纳米片的光吸收能力,并显著抑制电子-空穴对重组速率。最后,将BiOBr纳米片用于光催化降解木质素时,5%CQDs-BiOBr复合纳米片展现出了最高的光催化降解活性。
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