不同维度纳米复合材料的合成、表征及其在检测和光催化中的应用

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近年来,纳米科学技术飞速发展,为了满足人们在各个领域的不同需要,大量不同结构和功能的纳米材料被报道。在这些纳米材料中,磁性纳米材料因其具有独特的磁学性质而被广泛应用于环境检测、污染物分离、医疗诊断和催化领域。与此同时,贵金属纳米材料也是人们研究的热点,它们具有出色的光电性质,已被成功应用于生物医疗和检测领域。三维纳米材料具有丰富的孔结构、大的比表面积、优异的传质能力以及较低的密度和介电常数。该结构可以有效地克服零维、一维和二维纳米材料易团聚或再堆积的缺点,最大限度地保留材料各组分的活性位点,提高材料的稳定性、吸附性和催化活性。目前,三维纳米材料已被广泛应用于超级电容器、光电器件、环境检测、污染物处理和光催化领域。然而,这些三维材料多以石墨烯为原料,基于Mo S2的三维纳米材料却非常少,这无疑阻碍了Mo S2自身优异性能的发挥。因此,发展简单易行的通用方法来构筑基于Mo S2的三维纳米材料具有非常大的现实意义。基于以上研究背景,本论文主要围绕零维磁性纳米粒子和三维Mo S2复合材料的制备及应用开展了以下工作:(1)将香豆素-罗丹明的铕的配合物(CR1-Eu)和修饰了吡啶二酸衍生物的Fe3O4 NPs进行配位,合成了一种具有白光发射的磁性纳米探针。在不同的激发波长下,该纳米探针可发出三种主色光(红光、绿光和蓝光),同时也具备白光发射。令人惊奇的是,当有ClO-存在时,该纳米探针的荧光由红色变为紫色,而当该混合体系再遇到SCN-时,纳米探针的荧光又会可逆的由紫色变为红色。因此,通过逻辑门的控制,该纳米探针可以高灵敏度高选择性地同时检测水溶液中的ClO-和SCN-。检测限可达到0.037 nM(ClO-)和0.250 nM(SCN-)。此外,通过ClO-和SCN-之间的氧化还原反应,我们可以实现ClO-和SCN-的同时降解,消除这两种阴离子对水体的污染。(2)利用水热法合成了一种具有高比表面积且疏松多孔的MoS2复合凝胶,随后,通过配位作用将Au和Fe3O4纳米粒子负载到该Mo S2复合凝胶上,形成了目标产物Au/Fe3O4/Mo S2CAs。该复合凝胶不仅可以选择性检测水溶液中的Hg2+,检测限低达3.279 nM,同时对水溶液中的Hg2+具有超强的吸附能力,吸附容量可达1527 mg g-1。在浓度为10 ppm的Hg2+溶液中投入该复合凝胶,通过外加磁场将复合凝胶从溶液中分离,此时溶液中的Hg2+浓度可降至0.11 ppb,远远小于国家饮用水标准中所能允许的Hg2+浓度(2 ppb)。此外,该复合凝胶在循环使用10次后,Hg2+除去效率仍高于95%。Au/Fe3O4/Mo S2CAs之所以有这么优越的性能,是由于其具有连通的介孔框架结构,同时Mo S2纳米片层和Au纳米粒子之间强的作用力也为其作为Hg2+检测和吸附材料提供了条件。(3)将MoS2纳米片层进行化学修饰,修饰后的Mo S2纳米片层上的功能基团再与Fe3O4@Cu2-XS纳米粒子进行配位自组装,最终形成一种三维疏松多孔的3D Fe3O4@Cu2-XS-Mo S2F框架材料。该三维材料具有大的比表面积,对反应底物有很好的吸附性能,同时在近红外区具有强吸收。因此,在室温下,该三维框架材料对杂芳族化合物的芳基化反应表现出了出色的近红外光催化活性,并且催化活性远远高于单纯的Fe3O4@Cu2-xS纳米粒子和Mo S2纳米片。此外,该方法是一种合成三维框架材料的通用方法,利用该方法我们还合成了3D Fe3O4-Mo S2F和3D CuFe2O4-Mo S2F框架材料。(4)在亚甲基蓝(MB)的存在下,通过光诱导的方法在MoS2纳米片层上原位生长出贵金属纳米粒子,随后贵金属纳米粒子与Mo S2纳米片层之间自组装形成贵金属/二硫化钼三维框架结构。在此合成过程中,贵金属盐被还原成贵金属纳米粒子,同时纳米粒子的形貌和粒径都可以得到很好的控制。随后,生成的贵金属纳米粒子可以与Mo S2上的S原子发生配位,进一步组装成三维框架结构。该框架结构可以有效地避免贵金属纳米粒子的团聚和Mo S2纳米片层之间的再堆积,因此可以提高材料自身的稳定性和催化活性。此外,所合成的3D Au-Mo S2F在可见和近红外光区有较强的吸收,在光的照射下可以有效地催化降解罗丹明B。更有意思的是,研究表明Hg2+可以有效地抑制3D Au-Mo S2F的光催化活性。因此,在光的照射下,3D Au-Mo S2F可以同时利用荧光和比色法来检测水溶液中的Hg2+
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