掺杂碳负载Ni,Cu及Ag纳米材料制备及其对4-硝基酚和罗丹明B还原反应的催化特性研究

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硝基酚类化合物的还原是制备各种染料、有机中间体的主要反应,该反应也可降低硝基酚化合物的毒性。但是,尽管该反应在热力学上属于自发反应,其动力学反应速率较为缓慢,因此须使用催化剂。负载型金属基纳米催化剂由于其催化性能优异引起了研究者的注意。常见的制备负载型金属基纳米催化剂的方法包括溶液还原法、金属有机框架热分解法等。本文另辟蹊径,通过课题组改进的溶胶-凝胶法合成碳负载型金属纳米材料并探究其催化还原4-硝基酚、罗丹明B的催化性能,具体研究内容及结果如下:(1)探究载体的不同对催化性能的影响。采用溶胶-凝胶法,分别以不含氮载体(例如,乙二醇与尿素,柠檬酸与尿素)和含氮载体胺类化合物(例如:丙酰胺、丙烯酰胺、十八胺)在表面活性剂作用下制备氮掺杂碳负载的镍纳米颗粒(Ni/NC),通过X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段分析在不同煅烧温度下的纳米材料的晶相、晶粒尺寸、表面化学元素等。并将其进行催化还原4-硝基酚、罗丹明B等有机污染物,发现其对4-硝基酚、罗丹明B的还原反应有优异的催化效果,反应为一级反应,样品催化活性K值在硼氢化钠与4-硝基酚的物质的量之比为1590:1时达609.28 s-1·g-1,高于目前文献报道的活性数值。在硼氢化钠与罗丹明B物质的量之比为500:1时,还原罗丹明B催化活性K值为508.63 s-1·g-1。对比研究表明,只有在金属元素、碳元素和氮元素都存在时,该催化剂才能显示出较好的催化性能,酸处理之后的催化活性有所降低,因此初步认为主要的活性中心来源于金属纳米颗粒与氮掺杂碳之间的界面效应。(2)探究不同掺杂元素对催化性能的影响。采用溶胶-凝胶法,分别以碘单质、磷酸、硫脲分别作为I掺杂、P掺杂、S掺杂原料,在表面活性剂作用下制备碳负载型Ni基催化剂。研究表明,I掺杂制备的材料为晶态,而P,S掺杂的材料为非晶态。但是,这三种元素掺杂制备的材料都对4-硝基酚的还原反应有较好的催化效果,I掺杂时反应为一级反应,在硼氢化钠与4-硝基酚物质的量之比为1590:1时,催化活性K值最高为467.85s-1·g-1,掺杂P,S时为零级反应。(3)探究其他金属的催化效果。主要以丙烯酰胺为载体,在表面活性剂作用下,制备Cu/NC及Ag/NC纳米材料。表征确定其晶相及晶粒尺寸,并进行催化还原4-硝基酚、罗丹明B。催化还原4-硝基酚时,Cu/NC催化活性K值最高为330.92 s-1g-1,Ag/NC催化活性K值最高可达1402.1 s-1g-1,Cu/NC催化性能与Ni/NC相当,Ag/NC催化性能优于Ni/NC。
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