氮掺杂碳材料负载金属纳米颗粒结构调控及催化氧化反应机制

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本文以碳纤维为载体材料,采用简易的制备方法合成了氮掺杂碳纤维负载镍基纳米颗粒(Ni@N-CC)以及氮掺杂多孔碳纤维包覆铁基纳米颗粒(CP-Fe-N)非均相催化剂。选取典型偶氮染料金橙II(Orange II)为目标污染物,构建基于过硫酸盐的新型高级氧化技术反应体系,从反应动力学、影响因素等角度对这一反应体系进行深入研究,诠释催化剂活性组分、结构以及催化性能之间的构效关系,阐明污染物的净化历程及催化机制,实现催化剂的重复利用。主要研究内容及结果如下:(1)以碳布(Carbon Cloth,CC)为载体,分别选用六水合氯化镍(NiCl2?6H2O)和双氰胺(C2H4N4)为金属源和非金属源,在不同煅烧温度下合成了氮掺杂碳纤维负载镍基纳米颗粒催化剂Ni@N-CCT X(其中X代表双氰胺质量,T代表煅烧温度)。表征结果显示Ni@N-CC主要由镍基纳米颗粒和碳纤维束组成。选取PDS为氧化剂,考察了系列Ni@N-CC催化剂在不同条件下活化PDS的催化效率。催化降解实验结果表明,Ni@N-CC71.000/PDS体系的催化性能最佳,其反应动力学常数(0.128 min-1)是未掺氮NiO/CC(0.021 min-1)的6.10倍,证实氮掺杂有利于催化剂性能的提升。重复实验表明Ni@N-CC71.0 00具有较好的催化稳定性。利用自由基抑制实验和电子自旋共振技术(Electron Paramagnetic Resonance,EPR)阐明Ni@N-CC/PDS催化降解有机污染物的机理,结果证实在羟基自由基(HO·)和硫酸根自由基(SO4·-)的共同作用下污染物得以氧化分解,其中HO·占主导过程。(2)以碳纸(Carbon Paper,CP)为载体,通过简易的浸渍-煅烧法制备了氮掺杂多孔碳纤维包覆铁基纳米颗粒催化剂CP-Fe-NTX(其中X代表九水硝酸铁的质量,T代表煅烧温度)。表征结果显示CP-Fe-N具有核壳结构,铁纳米颗粒均匀分布于碳基骨架中。催化降解实验结果表明制备的系列CP-Fe-NTX均能高效活化PMS实现污染物的氧化分解,其中CP-Fe-N71.050/PMS体系的催化性能最佳,且反应过程符合准一级反应动力学。实验以CP-Fe-N71.050/PMS为研究对象,系统考察了反应温度、pH值以及无机阴离子对其催化活性的影响。自由基抑制实验和EPR实验结果证明反应体系中主要的活性物种为1O2和HO·,基于此提出了CP-Fe-N71.050/PMS体系的催化反应机理。
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