设计新型金属有机骨架(MOF)用于高效氧化NOx的研究

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近几十年来,全球人口快速增长,环境污染成为当下人类文明进程过程中亟待解决的问题。环境中的气体污染物成分和含量威胁着每一个人的健康,其中氮氧化物(NOx)危害较大。光催化技术是一种以太阳能为驱动力,在温和条件下有效去除环境中低浓度污染物的绿色技术,其具有成本低、操作简单、环保等优点,人们逐步将光催化技术用于去除低浓度的NOx。目前常用光催化剂主要是二氧化钛(TiO2)基无机半导体、铋(Bi)基无机半导体、石墨相氮化碳及其配合物等。然而,这些催化剂存在比表面积小、容易造成二次污染(产生NO2)等缺点,故难以有效且无污染地去除大气中的低浓度的NOx.。为了解决这个问题,本论文通过对MOF进行改性,开发了新型氯基修饰的UiO-66、新型铪基金属有机骨架(MOF)和新型锆基MOF催化剂。提高MOF对太阳光的利用率、载流子利用率以及材料对低浓度NOx的富集等能力,增强MOF光催化高效氧化NOx。综上所述,本论文开展了以下三部分的工作:(1)通过微波辅助溶剂热法合成了UiO-66-2Cl-x%。氯基官能团(-Cl)在MOF的有机连接体中充当助色团,可以降低MOF的带隙,让其在可见光区可以具备光吸收能力。同时,氯基改变了MOF的电子云分布,使其内部载流子分离更高效以及电荷传输更快。通过材料活性测试表明UiO-66-2Cl-25%光催化剂在LED灯(λ≥420 nm)光照射下能够去除74%的NOx且仅有少量的副产物NO2。(2)采用开环水解的方法成功合成了新型Hf-PTC MOF材料,其可以在可见光下光催化氧化NOx。Hf-PTC MOF自身的HOMO和LUMO势能,可以产生更多的氧化NO的物种(·O2-和?OH),构建了多活性物种协同氧化反应,有效促进Hf基MOF光催化氧化NOx,在经过4次循环后活性依然保持在76%左右,可以多次重复利用。(3)利用微波辅助溶剂法合成了新型Zr-PTC MOF材料。研究发现新型Zr-PTC MOF与大部分的NOx氧化的合成路径不同,它在反应过程中的主要活性物质是空穴和超氧自由基。Zr-PTC MOF材料在可见光(λ≥420 nm)照射下去除率为87%,且保持高的光催化稳定性。在经过4次循环后活性几乎没有下降,可以重复利用,并且可以在不产生毒副产物NO2的情况下实现NOx氧化。
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