g-C3N4复合光催化剂的制备及其在木质素模型化合物转化中应用

来源 :南昌航空大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuxuan423
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木质素是一种含有丰富苯环结构的可再生生物质资源。木质素的高效转化在获得高附加值芳香族化合物方面拥有很大潜力,近年来针对其转化从而制备精细化学品已成为研究热点。在木质素的催化转化技术中,大部分方法的反应条件一般都较为苛刻,需要高温高压才能进行,因此针对这些问题,利用光催化这种在常温常压下就能进行的绿色环保技术来实现对木质素的高效转化则具有很好的发展前景。石墨相氮化碳(g-C3N4)由于其来源广泛、廉价易制备并且具有较好的可见光响应能力等特点,因此在许多光催化反应中得到广泛应用。然而,g-C3N4存在光生载流子寿命较短等影响其性能的缺陷,并且目前有关g-C3N4在光催化转化木质素的研究报道还很少。因此,本文选择g-C3N4这种环境友好型光催化剂,通过对其进行不同的复合改性来克服其缺陷,改善其光催化性能,然后将所制备的g-C3N4基复合光催化剂应用于木质素模型化合物的光催化转化研究中,为构建全新温和的可见光催化转化木质素反应体系提供科学依据,研究内容及主要结果如下:(1)通过构建半导体异质结的方式对g-C3N4进行改性,将Ag IO3与其复合,制备出复合光催化剂Ag IO3/g-C3N4。以β-O-4键连接的木质素模型化合物2-(2-甲氧基苯氧基)-1-(4-甲氧基苯基)乙醇为反应底物,在可见光条件下,对Ag IO3/g-C3N4的光催化性能进行评价。实验结果显示,复合光催化剂Ag IO3/g-C3N4与单组份g-C3N4相比,其光催化活性获得显著提高。这主要归因于Ag IO3与g-C3N4耦合后使复合材料界面的电荷得到了有效的传输。通过优化催化剂的合成以及对反应体系中反应溶剂、反应时间和反应气氛的影响进行考察,得出了最佳的反应条件,即在复合质量比为1:1的Ag IO3/g-C3N4光催化作用下,乙腈为反应溶剂,可见光照6 h,空气气氛中,木质素模型化合物的转化率可以达到99%,主要产物包括对甲氧基苯甲醛、2-甲氧基甲酸苯酯以及2-(2-甲氧基苯氧基)-1-(4-甲氧基苯基)乙酮,其中对甲氧基苯甲醛产率最高,为49.3%。(2)通过贵金属沉积的方式对g-C3N4进行改性,制备出贵金属单质负载的Au/g-C3N4和Ag/g-C3N4复合光催化剂。以β-O-4键连接的木质素模型化合物2-(2-甲氧基苯氧基)-1-(4-甲氧基苯基)乙醇为反应底物,对所制备的两种复合光催化剂的可见光催化性能进行考察。结果表明,与单组分g-C3N4相比,Au/g-C3N4与Ag/g-C3N4对木质素模型化合物具有更优的可见光催化活性。这主要归因于贵金属单质Au与Ag所具有的优异光学和电学特性。在光催化反应中,探讨了金属负载量、催化剂种类、反应气氛、反应溶剂以及反应时间对催化结果的影响,得到最佳反应条件,即在0.1 wt%Ag/g-C3N4光催化作用下,空气气氛中,乙腈为反应溶剂,可见光照3 h,木质素模型化合物的转化率可高达99%,生成产物以对甲氧基苯甲醛为主,产率为55%。该复合光催化剂对不同结构的β-O-4醇型木质素模型化合物转化制备芳香醛具有较好的适用性和选择性,芳香醛的最高产率为97%。
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