基于MOFs复合光催化剂的制备及光催化活性的研究
发布时间：2020-10-14 23:33
金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是一类通过金属离子和有机配体自组装而成的具有拓扑结构的新型功能性材料,具有多孔性、骨架支撑性、电子传导性和易调节性等多种优良特性。MOFs通过调控可以产生传递电荷的能力、也可以通过引入具有光学活性的配体和金属产生光催化活性,在光催化领域具有很大的应用前景。首先采用超声剥离法,合成了由Ni~(2+)和Co~(2+)以及有机配体对苯二甲酸(H_2BDC)组成的双金属有机骨架纳米片UMOFNs(Ultrathinning MOFs into two-dimensional(2D)nanosheets),分子式为Ni_xCo_x(BDC)_x(OH)_(2x)。进一步利用化学吸附法将其包覆在Ag_3PO_4纳米颗粒上,得到了Ag_3PO_4@UMOFNs核-壳型复合光催化剂。光电测试表明,UMOFNs的快速传递电荷能力,使得光电流强度增加了1.5倍,利于增强光催化活性。可见光下Ag_3PO_4@UMOFNs(5 wt.%)16 min内降解苯酚的效率为100%,20 min内降解双酚A的效率为98.9%,与单体磷酸银相比分别提高了1.6和1.8倍。淬灭实验及ESR实验证明光催化过程中主要的活性物种为·O_2~-和·OH。该核壳复合催化剂对有机污染物(苯酚或双酚A)具有较高的光催化降解活性。在进一步的研究中,用机械化学研磨的方法将g-C_3N_4纳米片与UMOFNs纳米片复合到一起,形成了g-C_3N_4/UMOFNs(2D/2D)复合光催化剂,用于增强光催化分解水产氢性能。在复合催化剂中,负载3 wt.%的UMOFNs时,产氢活性达到最佳(1909.02μmol·g~(-1)·h~(-1)),是单体g-C_3N_4纳米片的3倍,是体相g-C_3N_4的15倍。产氢活性明显提高的原因是2D/2D结构接触面积大,活性位点多,电荷转移路径短,电荷分离效率高。图38幅;表5个;参99篇。
【学位单位】：华北理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X703;O643.36;O644.1
【部分图文】：
（a）MOF-5 （b）MIL-101 （c）ZIF-8图 1 几种典型的 MOFs 结构Fig.1 Several typical MOFs structuresOFs 材料的合成方法OFs 的合成方法有许多种，因为 MOFs 是无限拓展的拓扑结构，故其于有机物的聚合。常用的合成方法有：扩散法、溶剂热法、机械混合[3,20,21]，如图 2 所示。散法是在常温常压稳定的外界环境下，将原料按照一定的配比混合成于一个小的容器中，然后将此反应液转移至装有有机溶剂的大容器中散，从而生成 MOFs 晶体[3]。这种方法操作简单，但是耗时长，产量法是将金属盐和有机配体按一定的比例溶解在有机溶剂或水溶液中，移至反应釜内，高温（60~120°C）下反应一段时间（12~48 h），然后到 MOFs 晶体。这种合成方法用时较短，操作相对简单、产量高，
图 2 MOFs 材料的合成方法Fig.2 Synthesis methods of MOFs materials 材料在光催化中的应用工业化的发展，化石能源不断的消耗，造成了严重的能源和环材料来光催化降解水体中的有机污染物或是直接光催化分解水被视为解决环境和能源问题的“绿色”途径。究表明 MOFs 在可见光下，可以光催化降解有机染料分子，如罗丹明 6G 或甲基橙（MO）[22-24]。Laurier 等人合成了一系列可见光光催化剂[23]。在可见光照射下，所有的 Fe（III）-MO 显示出较强的光催化活性，相同条件下明显优于 TiO2光催化一种新型的 Ti（IV）基金属-有机骨架（NTU-9），带隙为 1.72可见光吸收响应[22]。光电化学研究表明NTU-9为p型半导体，在照射下对有机染料（罗丹明 B 和 MB）具有良好的光催化降解
华北理工大学硕士学位论文电子发射跃迁，跃迁到导带上，价带上形成空穴。但是，光生电子和半导体体相内和表面上复合，复合时产生热能或是荧光，这部分复合能参与氧化还原反应。电子和空穴的有效分离决定了催化剂的光催化有机物过程中，电子和空穴能与表面吸附的物质发生氧化还原反应。附在催化剂表面的 O2反应生成具有氧化能力的超氧自由基·O2-，是催污染物重要的活性物种。空穴则被 OH-和 H2O 俘获生成强氧化能力的H，·OH 是主要的氧化剂，能够氧化降解多种有机污染物。另外，光原能力，能与有机污染物结合，将其降解为小分子物质。图 3 为半导生的主要反应。
【参考文献】
本文编号：2841356
【学位单位】：华北理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X703;O643.36;O644.1
【部分图文】：
（a）MOF-5 （b）MIL-101 （c）ZIF-8图 1 几种典型的 MOFs 结构Fig.1 Several typical MOFs structuresOFs 材料的合成方法OFs 的合成方法有许多种，因为 MOFs 是无限拓展的拓扑结构，故其于有机物的聚合。常用的合成方法有：扩散法、溶剂热法、机械混合[3,20,21]，如图 2 所示。散法是在常温常压稳定的外界环境下，将原料按照一定的配比混合成于一个小的容器中，然后将此反应液转移至装有有机溶剂的大容器中散，从而生成 MOFs 晶体[3]。这种方法操作简单，但是耗时长，产量法是将金属盐和有机配体按一定的比例溶解在有机溶剂或水溶液中，移至反应釜内，高温（60~120°C）下反应一段时间（12~48 h），然后到 MOFs 晶体。这种合成方法用时较短，操作相对简单、产量高，
图 2 MOFs 材料的合成方法Fig.2 Synthesis methods of MOFs materials 材料在光催化中的应用工业化的发展，化石能源不断的消耗，造成了严重的能源和环材料来光催化降解水体中的有机污染物或是直接光催化分解水被视为解决环境和能源问题的“绿色”途径。究表明 MOFs 在可见光下，可以光催化降解有机染料分子，如罗丹明 6G 或甲基橙（MO）[22-24]。Laurier 等人合成了一系列可见光光催化剂[23]。在可见光照射下，所有的 Fe（III）-MO 显示出较强的光催化活性，相同条件下明显优于 TiO2光催化一种新型的 Ti（IV）基金属-有机骨架（NTU-9），带隙为 1.72可见光吸收响应[22]。光电化学研究表明NTU-9为p型半导体，在照射下对有机染料（罗丹明 B 和 MB）具有良好的光催化降解
华北理工大学硕士学位论文电子发射跃迁，跃迁到导带上，价带上形成空穴。但是，光生电子和半导体体相内和表面上复合，复合时产生热能或是荧光，这部分复合能参与氧化还原反应。电子和空穴的有效分离决定了催化剂的光催化有机物过程中，电子和空穴能与表面吸附的物质发生氧化还原反应。附在催化剂表面的 O2反应生成具有氧化能力的超氧自由基·O2-，是催污染物重要的活性物种。空穴则被 OH-和 H2O 俘获生成强氧化能力的H，·OH 是主要的氧化剂，能够氧化降解多种有机污染物。另外，光原能力，能与有机污染物结合，将其降解为小分子物质。图 3 为半导生的主要反应。
【参考文献】
相关博士学位论文 前1条
1 曹燕;功能化金属有机骨架材料的制备及其CO_2吸附性能研究[D];南京理工大学;2016年
相关硕士学位论文 前3条
1 张磊;半导体光催化剂的设计及其光催化制氢的性能研究[D];中国科学技术大学;2018年
2 韩瑜;基于过渡金属(Co、Mn、Zn)的新型金属有机骨架组装及其催化性能研究[D];华东理工大学;2017年
3 丁兰;π-π共轭提高光催化性能的研究[D];华北理工大学;2017年
本文编号：2841356
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huanjinggongchenglunwen/2841356.html
最近更新
教材专著
