基于Keggin型多酸的易回收高活性磁性复合材料的制备及催化性能研究

发布时间：2020-07-27 08:36

【摘要】：多金属氧酸盐(POMs),简称多酸,由于其特殊的空间结构、高电荷密度、结构和组成的可调变性及其可逆的氧化还原性,在酸催化、氧化还原催化、光催化领域,得到了广泛的应用。由于POMs易溶于极性溶剂,大多数为均相催化反应体系,存在难易分离回收重复使用的问题,严重制约着其在催化反应中的广泛应用。研制基于多酸的易回收、稳定的、高活性复合催化材料是多酸化学研究中的亟待解决的难点课题,具有重要的理论意义和实践价值。本论文将具有良好酸碱稳定性及催化活性的POMs牢固负载在功能化磁性载体上,并进一步原位负载贵金属颗粒,成功制备了基于多酸的易回收、稳定的、在可见光下具有高活性的复合催化材料。研究了催化剂的形貌、多酸及贵金属的含量对催化剂的光催化活性的影响,并探讨其光催化机理。此外,设计合成了几例基于同多钼酸盐、过渡金属和有机配体结合的难溶于极性溶剂的有机无机杂化材料,对这类材料的催化等性能进行了探索性研究。具体工作如下:1.Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2-PW_(12)-Ag(PW_(12)=H_3PW_(12)O_(40))复合纳米催化剂的制备及光催化性能研究。为了提高POMs在催化过程中的活性位点和催化性能,选取具有高比表面积和孔体积的介孔磁性载体(Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2),采用浸渍法将PW_(12)负载于介孔磁性载体Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2上,通过在300℃下处理,使多酸稳定负载在载体介孔的表面,进一步通过原位还原Ag~+为Ag NPs沉积到Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2-PW_(12)的表面,制得了在模拟太阳光下具有良好光催化活性的稳定易回收的多元复合磁性光催化剂。研究结果表明Fe_3O_4@SiO_2@mSiO_2-PW_(12x)-Ag_y(x,y=18.6%,5.3%)呈现了最高的光催化活性,在模拟太阳光照射(λ320 nm)下2 h可使甲基橙(MO)降解完全。复合催化剂中,Ag NPs表面等离子体共振效应(SPR)延缓了PW_(12)中光生电子(e~-)和空穴(h~+)的快速复合,提高了光的吸收和光催化性能。磁性复合催化剂可以利用外部磁场快速回收,重复使用至少5次后活性基本不变。2.Fe_3O_4@SiO_2@PDA/SiW_(11)V-M(SiW_(11)V=SiW_(11)VO_(40),M=Ag,Au)复合纳米催化剂的制备及催化性能研究。为了改善贵金属纳米粒子的分散性及将多酸牢固负载在载体的表面,将具有优异黏附性及良好物化性能的聚多巴胺(PDA)与具有良好酸碱稳定性的SiVW_(11)O_(40)~(6-)一起包裹在功能化磁性载体上,并进一步原位负载贵金属颗粒,获得了基于多酸的易回收、稳定的、在模拟太阳光下具有较高活性复合催化材料,Fe_3O_4@SiO_2@PDA/SiW_(11)V-M(M=Ag,Au)。研究了多酸及贵金属的负载量等因素对催化剂的形貌及光催化活性的影响。光催化实验证实Fe_3O_4@SiO_2@PDA/SiW_(11)V_x-Ag_y(x,y=14.1%,5.2%)显示了最高的光催化活性,在模拟太阳光照射下(λ320 nm)135 min可使甲基橙降解完全。在该复合催化剂中,Ag NPs,SiW_(11)V和PDA均可以吸收较宽波长范围的紫外可见光,因此它们可以在阳光下被激发,且Ag NPs表面等离子体共振效应(SPR)可以延缓了光生电子(e~-)和空穴(h~+)的快速复合,因此该复合催化剂在模拟太阳光下具有较高的催化活性。实验表明,该复合催化剂在较宽pH范围(pH=2-10)的水溶液以及大多数有机溶剂中能长时间稳定存在。此外,探究了两种复合催化剂对4-硝基苯酚(4-NP)的还原反应的影响,Fe_3O_4@SiO_2@PDA/SiW_(11)V_x-Au_y(x,y=14.1%,9.1%)表现出了很好的催化活性,反应速率常数为8.48×10~(-3) s~(-1)。该类复合催化剂具有利用外部磁场快速回收的特点,且非常稳定,重复使用五次后活性基本保持不变。3.Fe_3O_4@TiO_2@PDA/SiW_(11)V-Ag复合纳米催化剂的制备及光催化性能研究。为了进一步提高复合催化剂的光催化活性,选取具有光活性的Fe_3O_4@TiO_2为载体。将Ag NPs负载到PDA和SiVW_(11)O_(40)共同包裹的Fe_3O_4@TiO_2载体表面,成功制备了一种基于多酸的易回收、稳定的、在可见光下具有高活性的复合催化纳米材料Fe_3O_4@TiO_2@PDA/SiW_(11)V-Ag。研究了多酸及贵金属的负载量等因素对催化剂的形貌及光催化活性的影响,Fe_3O_4@TiO_2@PDA/SiW_(11)V_x-Ag_y(x,y=12.4%,5.3%)显示了最高的光催化活性,在可见光(λ420 nm)照射下2 h可使甲基橙(MO)降解完全。与相同条件下使用Fe_3O_4@SiO_2@PDA/SiW_(11)V_(14.1)-Ag_(5.2)作为催化剂(2小时降解了31.2%MO)相比,催化效率得到了显著提升。在该复合催化剂中,除了Ag NPs,SiW_(11)V和PDA都可以吸收较宽波长范围的紫外可见光外,TiO_2与PDA/SiW_(11)V间的异质结以及PDA/SiW_(11)V与Ag NPs间的异质结均可以有效地改善光吸收及抑制e~-和h~+的复合,因此该催化剂在模拟可见光下呈现出了很高的催化活性,且同样呈现出稳定性好,易于回收的特点,重复使用至少五次后活性基本不变。这些新型催化剂的成功合成为设计和制备稳定耐用易回收的基于POMs及贵金属纳米粒子高活性复合光催化剂提供了新思路,开拓了新途径。此外,基于同多钼酸盐、有机配体和过渡金属结合的难溶于极性溶剂的有机无机杂化材料的合成及其性能研究。在水热条件下,通过调节反应的pH值,设计并合成了三种基于Cu离子,bbx配体和同多钼酸盐的新型有机-无机杂化材料:[Cu_2~(II)(bbx)_2(β-Mo_8O_(26))]·2H_2O(1)[Cu_2~(II)(bbx)_4(γ-Mo_8O_(26))](2)H_2[Cu_2~I(bbx)_2(Mo_2O_8)](3)将化合物1和3作为非均相催化剂用于催化过硫酸盐(PMS)氧化亚甲基蓝(MB)的反应。反应2小时后,MB降解率从44%(无催化剂)提高到79%。在水热条件下合成了两种基于[Mo_xO_y]~(n-)链的新型有机-无机杂化材料:[Cu(Hbib)_2(γ-Mo_8O_(26))](4)[(Ni(H_2O))_2(bib)_2(γ-Mo_8O_(26))]·2H_2O(5)化合物4和5对于染料MB具有很好的吸附性能,可以从MB,MO和罗丹明水溶液中选择性地吸附MB分子,化合物4对MB的饱和吸附量(Qe)为551.3 mg·g~(-1)。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;O643.36;O644.1
【图文】：

催化剂Fe,负载量,元素,复合催化剂

Size distribution of the as-prepared (a) Fe3O4; (b) Fe3O4@SiO2; (c) Fe3O4@SiO24@SiO2@mSiO2-PW12(18.6%) and (f) Fe3O4@SiO2@mSiO2-PW12(18.6%)-Ag5.3s 2.5 为 Fe3O4@SiO2@mSiO2-PW12(18.6%)-Ag5.3磁性复合催化剂的元素明在该催化剂中 Fe、Si、O、W 和 Ag 元素均有分布。

沉积量,元素分布图,复合物,元素

Size distribution of the as-prepared (a) Fe3O4; (b) Fe3O4@TiO2iO2@PDA/SiW11V12.4-Ag5.3samples and (d) Ag NPs.4.4 为 Fe3O4@TiO2@PDA/SiW11V12.4-Ag5.3复合物的元素分布图，结果表 Fe、Ti、O、W 和 Ag 元素均有分布。

【参考文献】