氮掺杂炭纳米孔材料催化硫化钠还原硝基苯

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硝基苯是一种普遍存在于环境中高毒性有机污染物,被我国列为优先控制环境污染物。硝基苯进入环境中,会对环境中各种水生生物造成危害,并会通过食物链或饮用水进入动植物及人体,引发各种疾病。因此环境中硝基苯污染亟待修复。本研究拟采用催化还原的方法快速有效的修复硝基苯污染。所使用的还原剂为硫化钠,催化剂为自主合成的新型氮掺杂炭纳米孔材料。首先,使用较廉价易得的磷酸、蔗糖以及六亚甲基四胺等为碳源和氮源自主合成了一种氮掺杂炭纳米孔材料。接着使用各种表征测试手段对材料进行详细的表观和内部结构的表征。结果表明材料中成功掺杂了含量较高的氮元素(质量分数为10.2%)。接下来,进行了对照试验研究了氮掺杂炭纳米孔材料催化环境中有机污染物非生物还原反应的可行性。研究发现:当氮掺杂炭纳米孔材料浓度为250mg/L,硫化钠(Na2S)浓度为8mM,初始硝基苯浓度为80μM时,硝基苯浓度随时间的变化规律为:Y=80.68e-0.2826X,R2=0.9966(Y代表硝基苯浓度,μM;X代表时间,h),还原反应的一级反应速率常数为Kobs=0.2826h-1。并且在16h后几乎实现了硝基苯的完全去除。对照试验中均未发现硝基苯明显的减少,这明确的说明了该材料有明显的的调节促进作用。研究表明在有氧和无氧环境中,该材料都可以催化硝基苯还原为苯胺。此外,研究还发现该材料能很好适应很大的pH变化范围(pH:4.55-10.38)且具有良好的重复使用性。以上结果意味着该材料可以作为催化剂,实现硝基苯污染的快速高效去除。此外,材料的廉价性、具有可重复利用性以及广泛的pH适用性说明材料具有被广泛使用的巨大前景。最后结合材料结构分析,我们推测是氮掺杂炭纳米孔材料对反应物质的激活和对电子的转移的加速共同完成了对硝基苯还原作用的催化。为了进一步证明是材料中的含氮官能团对材料的催化性能起作用,对氮掺杂炭纳米孔材料进行高温(800℃)热解以去除材料中含氧基团并提高含氮基团相对含量。在高温改性后材料与原材料催化硫化钠还原硝基苯的对比试验中发现,高温改性后材料的催化效果更好。这暗示着材料对硫化钠还原硝基苯的催化作用很可能是由含氮官能团介导的,而与材料中含氧官能团的关系不大。对比改性前后材料中吡啶型氮和石墨型氮含量与材料对硝基苯还原的催化效果关系,发现材料中吡啶型氮和石墨型氮含量的提高有利于催化效果的提高。
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