碳负载钴基催化剂的制备及其对硝基酚的催化还原性能研究

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硝基酚由于其化学稳定性高,组成复杂,使得它们在自然条件下难以生物降解而被我国列为水体中的优先控制物,而氨基酚作为镇痛药和热解药物等的中间体可以由硝基酚催化还原而得,因此硝基酚的去除以及将硝基酚转化成为氨基酚加以应用对环境污染治理及污水处理具有重要的意义。ZIFs及其衍生物以其独特的优点,被认为是通用的具有一定应用前景的多相催化剂以及催化剂载体,广泛应用于储气、吸附、药物传输、传感器、生物成像、超级电容器、催化等领域。因此,选择合适的载体通过简易的方法将金属纳米颗粒均匀地固定在载体上作为一种低成本高效且易分离的催化剂用于催化还原硝基酚具有重要的现实意义。本论文采用溶剂热法制备不同形貌的ZIFs,然后将其在一定气氛保护下高温热解使得金属离子被高温热还原成为金属单质纳米颗粒并且均匀地锚定在氮掺杂碳基质中;通过置换的方法引入贵金属,使得贵金属纳米粒子负载在氮掺杂碳基质上从而使得纳米复合材料对硝基酚具有高的催化效率并且易于分离回收。主要包括以下研究内容:(1)碳基质负载钴纳米颗粒复合催化剂的制备及催化性能研究通过溶剂热法在碳布上生长叶状ZIF(ZIF-L/碳布)使得ZIF-L固定在碳布上,然后在不同温度下高温热解得到氮掺杂碳基质负载钴纳米颗粒(Co@N-C/碳布)。结果表明,高温热解后得到多孔碳基质并且钴纳米颗粒锚定其中,其中钴纳米颗粒的大小约为11 nm,避免了钴纳米颗粒的聚集。将这一复合材料用于4-硝基酚(4-NP)的催化还原反应中,通过紫外对催化过程进行监测,测试结果表明,在600℃下热解得到的复合材料表现出最佳的催化效果,其反应平衡常数Kapp为5.53×10-3s-1,重复循环5次后对4-NP的转化效率仍旧保持在72%左右,并且复合催化剂固着在碳布上易于分离回收的同时有望实现连续催化。(2)碳基质负载钴、金纳米颗粒复合催化剂的制备及催化性能研究同样通过溶剂热法制备ZIF-67,然后在800℃下高温热解得到氮掺杂碳基质负载钴纳米颗粒(Co@N-C),随后通过Co@N-C与不同量的氯金酸溶液在一定条件下发生置换反应将金纳米颗粒锚定在氮掺杂碳基质中,得到复合催化剂(Au-x/Co@N-C)。结果表明,高温热解后得到多孔碳基质并且钴纳米颗粒锚定其中,通过置换反应将金纳米颗粒成功锚定在Co@N-C表面,其中金纳米颗粒的粒径大小约为9 nm。将这一复合材料用于4-硝基酚(4-NP)的催化还原反应中,通过紫外对催化过程进行监测,测试结果表明,Au-1/Co@N-C的催化效率最佳,其Kapp高达37.46×10-3s-1,重复循环5次后对4-NP的转化效率仍旧保持在89%。并且磁性纳米复合材料易于回收利用。
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