聚离子液体/钴酞菁复合物的制备及其光催化性能研究

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当今社会,水资源短缺与水环境污染问题受到了人们日益广泛的关注,尤其是印染产业排出的工业废水已然成为水中的主要污染源之一。由于染料污染物成分复杂、性质稳定、难分解、毒性大,故染料废水成为较难处理的一类工业废水,仅仅通过简单的物理、化学方法无法将其彻底降解。因此,开发出一种有效的处理染料污染源的方法具有很大的发展前景与实际意义。光催化氧化法大多是以能够产生极高氧化电位(2.8 eV)的羟基自由基(·OH)的金属氧化物、金属离子或者金属配合物作为光催化剂来催化降解有机污染物。金属酞菁具有优异的半导体性质和光电性质,被广泛用于光催化氧化反应,此类化合物最大的优点便是低温条件下即可催化反应进行,且催化速率快、效果好。然而,金属酞菁因分子间的强烈的π-π作用容易聚集形成二聚体或多聚体而难溶于水及各种有机溶剂,这在很大程度上限制了金属酞菁在光催化领域的发展。为解决金属酞菁的聚集问题,文献中大多将金属酞菁或其衍生物负载在不同的载体上(如TiO2、石墨烯等),然而其催化剂制备步骤复杂、原料成本高昂,不利于实际应用。本论文通过一种简单的共沉淀方法,利用聚离子液体的正电荷和四羧基钴酞菁的负电荷之间的电荷作用,在碱性溶剂中制备了聚离子液体/四羧基钴酞菁介孔复合材料。以染料罗丹明B(RhB)为目标污染物,对该类复合材料进行催化活性评价,具体研究内容如下:本文以自由基聚合法和离子交换法合成了聚离子液体1-乙烯基-3-乙基咪唑双三氟甲基磺酸基亚胺盐(Poly(ViEtIm+Tf2N-),以苯酐-尿素法合成了四羧基钴酞菁(CoPc(COOH)4)。通过FT-IR、UV-Vis、1H-NMR及元素分析等手段对其结构进行表征;以Poly(ViEtIm+Tf2N-)和CoPc(COOH)4为原料,通过简单的共沉淀法,在碱性条件下制备了一系列不同摩尔比例的聚离子液体/四羧基钴酞菁复合物PIL/CoPc(x),其中x代表聚离子液体单元与四羧基钴酞菁的摩尔比。通过FT-IR、UV-Vis、EDS、XRD、SEM、TEM、BET、接触角测试等手段对复合物PIL/CoPc(x)进行表征。结果表明,Poly(ViEtIm+Tf2N-)和CoPc(COOH)4已被成功复合且CoPc(COOH)4得到了均匀分散。此外,阴阳离子比例、溶剂等因素对复合物的形貌、孔结构、亲疏水性具有一定的影响。PIL/CoPc(8)具有一定的比表面积,且孔径均匀,有利于催化剂与底物的有效接触,故将其作为后续的光催化降解体系的催化剂。以10 mg/L RhB溶液作为目标污染物对催化剂PIL/CoPc(8)进行光催化活性评价。本文首先考察了催化剂PIL/CoPc(8)与RhB在暗态条件下的吸附-脱附平衡,可知达到吸附-脱附平衡的时间为15 min。其次,分别考察了催化剂的浓度、H2O2浓度、溶液的pH对降解效果的影响。结果表明,在催化剂PIL/CoPc(8)的浓度为100 mg/L、H2O2浓度为1.85 mmol/L、溶液的pH=7的条件下,PIL/CoPc(8)对RhB的降解效果最佳。复合材料PIL/CoPc(8)对RhB的降解率明显高于CoPc(COOH)4,说明CoPc(COOH)4与Poly(ViEtIm+Tf2N-)复合之后,催化性能明显提升。另外,催化剂回收方法简单,回收率高,催化剂重复使用性好,可重复利用4次。利用PIL/CoPc(8)对10 mg/L的亚甲基蓝(MB)和甲基橙(Hln)进行光催化降解,结果表明催化剂PIL/CoPc(8)对染料的降解具有普适性。
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