植物还原法制备金纳米颗粒及其光催化产氢性能研究

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植物还原法(又名植物法)制备金纳米颗粒(GNPs)由于绿色环保、成本低廉等优势,受到科学界的广泛关注。尽管已有大量的研究证明了其可行性和巨大的应用潜力,但具有普适性的制备规律和成分作用机制尚不明确,调控机制还不够完善。而葡萄酒残渣(GWR)作为低值的植物资源,将其用于GNPs的制备可为其再利用提供一条简单可行的途径。此外,GNPs催化剂在光催化分解水制氢领域具有广泛应用,但植物法制备的GNPs用于光催化产氢尚无研究。本论文首先系统的研究了植物法制备GNPs的总体规律,着重研究了具有普适性的成分作用规律。随后将GWR用于GNPs的制备并以此探究了调控制备GNPs的规律。在此研究基础上,将GWR制备的GNPs应用于光催化产氢领域,优化了产氢性能并探究了GWR的作用。首先,以16种植物为研究对象以获取植物法具有普适性的规律。结果表明,不同植物提取液的颜色、水溶性成分含量及成分的含量规律具有较为一致的规律。将不同植物的提取液制备GNPs发现,提取液浓度对GNPs的制备有一致的影响规律。此外,不同的植物制备GNPs过程中的有效作用基团基本一致:还原基团主要为O-H,保护基团主要是O-H和C=C。统计学分析及动力学模拟结果表明,植物法制备GNPs是提取液中各成分协同作用的结果,其中多酚起到了主导的作用。各成分的还原能力强弱顺序为:多酚>黄酮>总糖>蛋白质,保护能力强弱顺序为:多酚>蛋白质>黄酮>总糖。作为占据主导作用的多酚,其具有强的还原能力,而保护能力随浓度增大呈现先强后弱的趋势。其次,以GWR为研究对象制备GNPs,并探讨GNPs的调控制备方法。实验得到对GWR的最佳提取方法为:将GWR晾干研磨成粉后,将60 g/L的GWR水提6 h,可得到0.9134 g的提取物(GWRM),提取液中各成分的含量信息为:糖类最多,多酚和黄酮含量次之,蛋白质最少。使用5 mg/mL的GWRM可制备出粒径均匀且分散性良好的GNPs,制得的GNPs为面心立方晶体。GWRM在制备过程中的还原性成分主要为酚类或多羟基类物质,保护性成分主要为多酚类和黄酮类物质。调控制备实验表明,通过对GWRM浓度、HAuCl4浓度、温度、酸碱环境以及反应容器等因素的改变,可以制备出不同形貌和粒径的GNPs。最后,将植物法制备的GNPs用于曙红(EY)敏化的光催化产氢体系,得到了良好的产氢效果。最佳的产氢条件为:3 mg/mL的GWRM反应6 h制得的GNPs反应液,加入含有20 mg EY的pH为9的TEOA溶液中,5 h时产氢量可达到358.12μmol。GNPs的粒径和产量是影响产氢效果的主要因素,而GWRM对产氢体系也具有促进作用。成分探讨的结果表明,多酚类和黄酮类物质是GNPs制备过程中的主要有效成分,而多酚类物质是GWRM对产氢体系有促进作用的主要活性成分。
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