活性氮化硼的可控合成、表面修饰及吸附性能的研究

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活性多孔氮化硼(BN)因具有丰富的官能团、大的比表面积、轻质无污染、无毒耐高温酸碱等特点,使其在吸附染料、重金属离子、抗生素和储存氢气等环境治理和新能源方向有着重要的研究价值,但其合成机理未知和无法工业化量产的难题严重限制了其发展。本论文利用各种测试方法探究了活性氮化硼的形成机理;首次提出了巯基修饰的活性多孔BN;从理论上研究了其表面负载的机理过程。并在此基础上,评估氮化硼基材料的污染物吸附能力,本文的主要内容如下:(1)以三聚氰胺二硼酸(M2B)作为BN前驱体的原料,采用高温裂解的方法制备了一系列不同温度下的活性多孔BN。并利用XRD,TG-FTIR等方法探索了其反应机理,最终从分子尺度上推导了M2B向BN转变的结构演化机制。研究表明整个转变过程包括氧化硼网络形成及嵌入、三聚氰胺的交联、三嗪环的分解、氨化演变为BN结构四个主要阶段,并伴随着大量气体的产生导致多孔结构的形成。所合成的活性BN比表面积高达1425 m~2 g-1。随后通过染料的污染物吸附实验,发现其对亚甲基蓝有着优异的吸附性能,并在60 min内快速捕获染料分子。准二级动力学模型表明其对染料分子的作用为化学吸附,在等温线拟合上符合Tempkin模型,具有多层多位点吸附的特点,最大吸附量可达到623.7 mg g-1。另外对甲基橙,刚果红,罗丹明B的吸附容量也可达到197.4,184.5,48.3mg g-1,且在三氯甲烷的动态接触角中也表现出亲油等特性,这些性质使得活性多孔BN可以作为多功能静态吸附剂。(2)以巯基丙酸作为活性BN表面修饰的活化剂,通过嫁接有机官能团巯基用来提高对重金属离子的吸附能力。利用红外,光电子能谱等方法探究了巯基在BN表面的结合方式,结果表明其表面形成了B-O-SH的共价键,并均匀的分布在活性BN上。研究pH、不同吸附剂质量、吸附动力学、热力学、等温线等吸附实验,发现巯基修饰的活性BN对汞离子有着极高的吸附容量。对吸附机理的探索提出了可能的四种相互作用,包括硫醇和Hg2+的表面络合、氨基和硫醇基的共螯合、各种官能团与氧阴离子的离子交换和静电相互作用。进一步的实验表明,Hg2+吸附的废料可作为苯乙炔转化苯乙酮的催化剂。DFT计算表明汞离子被吸附在巯基修饰的活性BN上是由于硫原子的交换机制和双缺陷结构。
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