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随着工业的不断发展,作为化工原料的重要中间体,对硝基酚（4-NP）在农药、橡胶、医药和塑料等领域具有广泛应用。但其毒性较高,在自然界中难以降解,进入人体后发生富集效应,导致基因突变,甚至诱发癌症。近年来,4-NP的大量生产和使用对饮用水和食品安全造成了巨大威胁。因此如何消除4-NP污染是目前水资源保护和食品安全亟待解决的重要问题。随着对4-NP污染物研究的深入,研究人员发现在催化剂的作用下硼氢化钠将4-NP还原为毒性较低的对氨基酚（4-AP）,且还原产物可作为许多药物合成的中间体。为了有效去除4-NP污染物,本研究首先采用水热法合成金属有机骨架（HKUST-1）,并以其为前体高温热解制备新型铜/碳多孔复合材料（Cu/C-PC）,通过对比两种材料对4-NP还原的催化性能,探究其构效关系。具体研究内容如下:1. 利用水热法合成金属有机骨架HKUST-1,并将其应用于4-NP的催化还原反应。对HKUST-1材料进行了扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外（FT-IR）光谱和射线光电子能谱（XPS）表征,探索其形貌结构和化学组成。研究结果表明合成产物为形貌规则的天蓝色晶体,且晶型结构良好,由碳、氧、铜和氮元素组成,富含Cu-O、-COO-、O-H和C-H官能团,表明HKUST-1的成功合成。之后详细考察了HKUST-1催化还原4-NP性能,结果表明在Na BH4作用下加入0.2 mg的HKUST-1时,6分钟内4-NP被完全还原为4-AP,根据准一级动力学方程式计算该催化反应的速率常数Kapp为0.00709 s-1。此外,将HKUST-1应用于去除自来水和鱼肉样品中的4-NP。2. 在氮气氛围下将HKUST-1原位高温热解制备Cu/C-PC催化剂,采用SEM、XRD、XPS、EDS、FT-IR等对该催化剂进行表征,结果表明该材料是由多孔碳骨架和铜单质/铜氧化物纳米颗粒组成,与HKUST-1相比其氧元素含量减少。由XRD图谱可知,高温热解后生成了Cu和Cu2O,相对含量分别为72.6%和27.4 wt%。同时,热解后FT-IR光谱中位于721 cm-1处的1,3,5-三取代苯环中的C-H振动峰消失了,证明HKUST-1中有机分子的成功热解。Cu/C-PC催化剂比表面积为196.7 m2/g,孔体积为0.22 cm3/g。此外,对该催化剂的催化活性和稳定性进行了探究,结果表明在Cu/C-PC的催化下,99%的4-NP在150秒内被还原为4-AP,由准一级动力学方程式计算Kapp为0.0267 s-1。此外,在循环使用五次后,该催化剂还原4-NP在3分钟内即可完成,其半衰期和Kapp分别为28.67 s和0.0211 s-1,该结果进一步证明Cu/C-PC催化剂出色的催化活性和可重复使用性。此外,为了验证该新型催化剂在实际样品中的应用能力,测试了其在自来水和蜂蜜中对4-NP的催化活性。3. 为了进一步探究Cu/C-PC催化剂的催化机理,考察了Cu/C-PC-AW催化剂、Cu纳米颗粒、Cu2O纳米颗粒和Cu O纳米颗粒的催化性能。其中Cu/C-PC-AW催化剂,是经Fe Cl3和HCl水溶液洗涤后产物,表征后发现该材料为多孔碳骨架,原始催化剂中的铜及其氧化物纳米颗粒已被去除。研究结果表明:Cu/C-PC-AW几乎没有催化活性,而Cu,Cu2O和Cu O纳米颗粒则对4-NP表现出良好的催化活性,Kapp分别为0.0181 s-1、0.0063 s-1和0.0069 s-1。因此,Cu/C-PC的催化活性>Cu纳米颗粒的催化活性>Cu2O/Cu O纳米颗粒的催化活性。由于Cu/C-PC中Cu单质的含量远大于Cu氧化物的含量,可推测Cu/C-PC的催化机理为:Cu/C-PC催化剂中铜对4-NP的还原做出显著贡献,同时高活性铜组分与多孔碳骨架之间的协同作用增强了Cu/C-PC的催化活性,使其展现出高效还原4-NP污染物的性能。