聚多巴胺介导磁性复合材料的构筑与性能研究

来源 :南京理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:abmabc
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磁性聚合物复合材料广泛应用在生物、环境和能源等前沿领域,引起了国内外学者的高度关注。然而,磁性聚合物复合材料存在制备过程繁琐和难以二次修饰等缺陷,严重限制其发展和应用。基于以上问题,本论文受贻贝启发简单高效地制备了磁性聚多巴胺微球,并在此基础上借助聚多巴胺的二次修饰特性,相继开发了四种聚多巴胺介导的磁性聚合物复合材料,同时结合磁性纳米颗粒的理化性质,将复合材料应用于吸附和催化等领域,并通过一系列材料表征手段系统地分析其微观形貌和吸附催化机理,为设计和拓宽聚多巴胺介导的磁性聚合物复合材料的广泛应用提供了理论基础和科学依据。具体研究内容如下:(1)聚多巴胺介导多羧基磁性微球的合成及其吸附应用研究了一种聚多巴胺介导的多羧基磁性聚合物微球的合成方法,基于聚多巴胺表面官能团与巯基间的共价反应,成功构筑了一种Fe3O4@PDA-COOH磁性微球,相比于传统制备磁性聚合物复合材料的方法,本方法实验条件温和且操作简单,合成的磁性聚合物微球分散性好。此外,探讨了其在分离介质领域的应用,羧基的成功修饰改善了磁性聚合物材料对废水中阳离子染料孔雀石绿的吸附性能,通过与修饰前的微球吸附性能对比,发现Fe3O4@PDA-COOH磁性微球的最大吸附容量达到331.02 mg/g(孔雀石绿/Fe3O4@PDA-COOH),证实了巯基官能团可以对聚多巴胺材料进行二次修饰,为通过共价作用修饰改性磁性聚多巴胺材料提供了新策略。(2)金属氧化物改性磁性聚多巴胺微球的设计及其去除染料应用围绕聚多巴胺“对内”可以包覆在四氧化三铁纳米颗粒表面,“对外”能够还原沉积金属氧化物的特点,设计合成了一种聚多巴胺介导的新型磁性聚合物微球(Fe3O4@PDA-Mn O2)。通过扫描和透射电镜的观察发现Fe3O4@PDA-Mn O2微球形貌规则,分散性良好,说明了聚多巴胺在二氧化锰沉积过程的调控作用。再结合磁性四氧化三铁和二氧化锰的理化性质,构建芬顿体系去除废水中阳离子染料(亚甲基蓝),探讨了Fe3O4@PDA-Mn O2的作用机理:pH≤3时起主要作用的是二氧化锰的氧化降解;pH在3~11范围内则是吸附作用在前,芬顿氧化降解在后,并且芬顿效应来自于Fe3O4和Mn O2的协同作用;而pH在12时,芬顿体系受到限制,但吸附作用最大化,亦有良好的去除染料效果。不同pH下去除染料性能优异,突破了pH的局限性。此外,Fe3O4@PDA-Mn O2磁性微球在去除染料体系中有着良好的稳定性和优异的可重复使用能力,为磁性聚多巴胺微球和金属氧化物的复合提供了新思路,进一步拓宽其在吸附催化等领域的应用。(3)聚多巴胺介导银基磁性微球的构建及其催化应用在磁性聚多巴胺微球的基础之上,利用紫外能量活化聚多巴胺表面官能团来提高反应活性,突破了聚多巴胺二次修饰过程较慢的瓶颈,快速得到聚多巴胺介导的银基磁性聚合物微球(Fe3O4@PDA@Ag),电镜表征等结果对比发现随着紫外强度的提高,表面银的含量也越来越多,证实了紫外可以加速银离子的还原和聚多巴胺在制备银基微球的过程的关键介导作用。此外,利用四氧化三铁和银纳米颗粒的协同芬顿效应来构建芬顿体系催化降解废水中的微污染物,有效提高其催化降解效率,所制备的Fe3O4@PDA@Ag芬顿体系在不同pH范围下(2~9)对四环素的降解率都超过了百分之七十,同时还保持着极好的稳定性,并对不同性质的微污染物都有着较好的催化降解性能,为贵金属基磁性聚合物材料作为芬顿试剂提供了理论基础和事实依据。(4)仿生贻贝磁性多糖水凝胶的构筑及其催化降解抗生素的应用传统水凝胶材料吸水性虽强,但是可回收性差,使其在治理废水领域的应用受到极大限制。为了解决这个问题,我们借助聚多巴胺表面丰富的官能团和黏附特性,把磁性纳米颗粒和普鲁兰糖水凝胶很好的结合在一起,所构建的仿生贻贝磁性普鲁兰多糖水凝胶复合体系既高效地负载磁性纳米颗粒,又避免磁性纳米颗粒在凝胶前驱体溶液中的沉降或团聚问题。扫描电镜等表征实验数据表明:聚多巴胺的引入,为磁性纳米颗粒和多糖网络架起了桥梁,确保了纳米颗粒在凝胶基质的均匀分布。同时仿生贻贝磁性多糖水凝胶类展现出优异的芬顿效应,对医疗废水中的四环素的降解效率可达86.68%。此外,该降解体系具有良好的生物相容性和循环性能,这些特性为仿生贻贝磁性多糖水凝胶在催化降解等领域的应用奠定了基础。
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