“核—卫星”状双金属纳米颗粒—聚合物复合材料的制备及其催化降解有机污染物的研究

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纳米级贵金属颗粒因为其良好的催化性能被广泛研究。但是这些纳米颗粒在溶液中因为范德华力与高的表面能等粒子间相互作用而具有强烈的聚集倾向,降低了催化剂的催化性能与稳定性。金属纳米颗粒在基底材料上的固定化是解决上述问题的有效途径之一。聚多巴胺(Polydopamine,PDA)因其特殊的粘附性和结构,常用作贵金属纳米颗粒的固定化材料。贵金属纳米颗粒的催化活性在固定化后得以维持,且显著高于无载体贵金属催化剂。在环境领域,利用贵金属纳米催化剂进行非均相催化是水溶液中降解芳香族硝基化合物和有机染料的最有效方法之一。本学位论文综述了PDA的性质、研究近况以及铂(Pt)基金属纳米材料的构筑方法。同时基于PDA的粘附性质与其中儿茶酚结构的弱还原性质,使用简单环保的方法制备出了“核-卫星”状Ag@PDA/Pt双金属纳米复合材料,通过TEM、FTIR、XRD、XPS等表征手段,分析了材料的形貌、组成和形成机理,并研究了反应条件对材料制备的影响。最后就其在环境污染处理领域的潜在应用进行了探究。具体内容如下:1、“核-卫星”状Ag@PDA/Pt双金属纳米复合材料的制备多巴胺能在碱性溶液中氧化自聚合形成聚多巴胺,再通过其粘附性质包裹在制备的Ag纳米颗粒表面。聚多巴胺壳层的厚度以及包覆后形成的形貌,与多巴胺初始溶液浓度和自聚合反应时间有关,在初始多巴胺浓度为0.25 mg/mL,反应2 h的情况下,能制备包覆形貌良好、厚度合适的聚多巴胺壳层。在未使用常见的金属还原剂(如NaBH4)的情况下,利用紫外光辅助聚多巴胺还原Pt离子形成Pt纳米颗粒,同时聚多巴胺中的儿茶酚结构转化为醌式结构。Pt离子还与Ag核发生电置换反应生成单质Pt,Pt沉积在Ag表面并通过扩散作用形成局部的双金属合金。探究反应条件发现,“核-卫星”型Pt基双金属纳米材料的形成与反应时间和加入氯铂酸的量有关,加入1 mL氯铂酸(10 mM)反应1 h后,能得到形态良好的纳米材料。2、“核-卫星”状Ag@PDA/Pt催化剂去除有机污染物制备所得Ag@PDA/Pt纳米材料中,含有大量的贵金属纳米颗粒(金属元素质量占比36%),还有能通过氢键、静电作用和π-π堆积等有效吸附有机染料的聚多巴胺壳层。利用材料的这两个特点,以芳香族硝基化合物——对硝基苯酚为催化还原对象,研究证明Ag@PDA/Pt纳米复合材料对芳香族硝基化合物具有良好的催化活性,表观速率常数kapp为0.213 min-1。重复使用五次后,催化性能保留了91%。以有机染料——亚甲基蓝(MB)为吸附降解对象,研究发现材料的吸附效率达到80%,使用少量的催化剂能在2 min内使MB快速降解。升高pH值,能增强材料与MB之间的静电作用,从而提高材料的吸附性能。Ag@PDA/Pt在重复使用五次后,吸附和催化效率分别保持了85%、87%,表明重复使用性能良好。在适用范围的扩展研究中,Ag@PDA/Pt对罗丹明B和甲基橙有良好的降解效果,在模拟实际污染水样中展现了较好的实际应用前景。
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