咔咯—二氧化钛复合催化剂的制备及其去除环境污染物的研究

发布时间：2020-11-21 00:32

　　 咔咯(Corrole)分子是由四个吡咯环共轭相连形成的新型卟啉类大环化合物,在两个吡咯环中间存在一个直接相连的C-C键,大环中心存在三个N-H键。与卟啉分子相比,咔咯分子虽具有较小的内腔,却能够稳定结合高价态的金属离子,而且,咔咯环周边的三个meso位和8个β位上都可引入相同或不同的取代基,因此,我们可以通过改变大环周边取代基的位置、种类、数量或者中心金属离子等方式,来调控其前线轨道能级,进而调控化合物光谱吸收范围。咔咯化合物独特的分子结构使其具有优良的物理、化学性质,研究表明该类化合物在催化剂、传感器、敏化太阳能电池、非线性光学材料和光动力学治疗等领域有着巨大应用潜力。为了充分拓展咔咯化合物的应用,本文通过化学键接枝或物理负载等方式,把咔咯分子负载在半导体二氧化钛的表面,制备了一系列咔咯-二氧化钛复合催化剂,通过在可见光照射下催化降解环境污染物,如偶氮染料酸性黑1(AB1)、罗丹明B(RhB),评价新型复合催化剂的催化性能,考察了催化剂的稳定性,此外,也讨论了新型催化剂光催化降解污染物的机理。主要研究内容如下:1、化学接枝法合成咔咯-二氧化钛复合催化剂及其去除AB1的研究用5,10,15-三-(4-氨基苯基)咔咯(TNPC)化学接枝到缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)改性的二氧化钛表面制备了一种新型有机-无机复合光催化剂TNPC-GPTMS/TiO_2。通过各种光谱(DRS、Raman和FT-IR)和电子显微镜(TEM和SEM)对催化剂进行了结构和形貌表征,并证实了咔咯分子与二氧化钛间化学键的存在。在可见光照射条件下,对比研究了纯TiO_2、GPTMS/TiO_2和TNPC-GPTMS/TiO_2复合催化剂用于降解偶氮染料酸性黑1(AB1)的降解效果。结果表明,TNPC-GPTMS/TiO_2光催化剂比纯TiO_2和GPTMS/TiO_2表现出更高的光催化活性。相同条件下,0.004 wt%TNPC-GPTMS/TiO_2复合催化剂表现出最高的光催化降解效率。此外,对TNPC-GPTMS/TiO_2复合催化剂循环稳定性研究的结果表明,经过四次连续循环后,催化剂对AB1的降解率仍然可以保持在89.9%,说明该类催化剂具有良好的稳定性。最后,结合捕获实验的结果,提出了该类催化剂光催化降解环境污染物的机理。2、物理负载法合成咔咯-二氧化钛复合催化剂及其去除RhB的研究设计合成了六个带有不同取代基的自由咔咯和金属钴咔咯化合物M[Cor(RO-Ph)_(3-n)(Ph)_n](M=H_3,Co,n=0-2,R=COOCH_3Ph)。通过简单的物理负载法制备了上述六种咔咯与二氧化钛的复合催化剂M[Cor(RO-Ph)_(3-n)(Ph)_n]-TiO_2。该物理负载方法耗时较少,步骤简单。用XRD、FT-IR和SEM等测试表征了催化剂的结构和形貌,结果表明,咔咯分子负载到纳米二氧化钛表面后并没有改变二氧化钛的内部晶型结构,使其仍然保持为标准锐钛矿相,复合催化剂为纳米球状结构。该类复合催化剂首次应用于可见光照射下降解废水中的罗丹明B,表现出优良的光催化性能。在可见光照射四个小时后,纯TiO_2可以将罗丹明B的降解率至53.8%,催化剂H_3[Cor(RO-Ph)(Ph)_2](1)-TiO_2、H_3[Cor(RO-Ph)_2(Ph)](3)-TiO_2和H_3[Cor(RO-Ph)_3(Ph)](5)-TiO_2可以将罗丹明B的降解率提高至86.6%,催化剂Co[Cor(RO-Ph)(Ph)_2](PPh_3)(2)-TiO_2、Co[Cor(RO-Ph)_2(Ph)](PPh_3)(4)-TiO_2和Co[Cor(RO-Ph)_3(Ph)](PPh_3)(6)-TiO_2对罗丹明B的降解率可以高达90.7%。因此,其催化效率符合以下顺序:Co[Cor(RO-Ph)_(3-n)(Ph)_n](PPh_3)-TiO_2H_3[Cor(RO-Ph)_(3-n)(Ph)_n]-TiO_2TiO_2,研究结果说明不论是自由咔咯分子还是金属咔咯分子负载在二氧化钛表面形成的复合催化剂都具有优良的光催化性能,并且这些催化剂均可以通过简单抽滤等处理,即可实现重复使用。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O643.36;X703
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 咔咯化合物的简介
    1.2 咔咯化合物的合成方法
        1.2.1 咔咯的经典合成方法
        1.2.2 直接法合成meso位取代自由咔咯
        1.2.3 其他相关方法概述
    1.3 咔咯化合物的应用
        1.3.1 催化氧化
        1.3.2 析氢反应（HER）
        1.3.3 析氧反应（OER）
        1.3.4 氧还原反应（ORR）
    1.4 本课题的研究背景及选题意义
第二章 化学接枝法合成咔咯-二氧化钛复合催化剂及其去除AB1的研究
    2.1 引言
    2.2 实验试剂与仪器
        2.2.1 实验试剂
        2.2.2 实验仪器
    2.3 试剂的纯化处理
        2.3.1 吡咯的纯化
        2.3.2 二氯甲烷的纯化
2 复合催化剂的制备'>    2.4 TNPC-TiO₂ 复合催化剂的制备
3[Cor（NO₂-Ph）₃]的制备'>        2.4.1 H₃[Cor（NO₂-Ph）₃]的制备
3[Cor（NH₂-Ph）₃]的制备'>        2.4.2 H₃[Cor（NH₂-Ph）₃]的制备
2 的制备'>        2.4.3 TiO₂ 的制备
2的改性'>        2.4.4 纳米TiO₂的改性
2 复合催化剂的制备'>        2.4.5 TNPC-GPTMS/TiO₂ 复合催化剂的制备
    2.5 实验装置
    2.6 结果与讨论
        2.6.1 催化活性的评价
        2.6.2 复合催化剂的表征
        2.6.3 复合催化剂的降解机理分析
    2.7 本章小结
第三章 物理负载法合成咔咯-二氧化钛复合催化剂及其去除RhB的研究
    3.1 引言
    3.2 实验试剂与仪器
        3.2.1 实验试剂
        3.2.2 实验仪器
    3.3 .试剂的纯化处理
    3.4 咔咯化合物的合成
3[Cor（COOCH₃PhO-Ph）（Ph）)2] （1）的合成'>        3.4.1 H₃[Cor（COOCH₃PhO-Ph）（Ph）)2] （1）的合成
3PhO-Ph）（Ph）)2] （PPh）)3) （2）的合成'>        3.4.2 Co[Cor（COOCH₃PhO-Ph）（Ph）)2] （PPh）)3) （2）的合成
3[Cor（COOCH₃PhO-Ph）2（Ph）] （3）的合成'>        3.4.3 H₃[Cor（COOCH₃PhO-Ph）2（Ph）] （3）的合成
3PhO-Ph）2（Ph）] （PPh）)3) （4）的合成'>        3.4.4 Co[Cor（COOCH₃PhO-Ph）2（Ph）] （PPh）)3) （4）的合成
3[Cor（COOCH₃PhO-Ph）₃] （5）的制备'>        3.4.5 H₃[Cor（COOCH₃PhO-Ph）₃] （5）的制备
3PhO-Ph）₃)] （PPh₃） （6）的合成'>        3.4.6 Co[Cor（COOCH₃PhO-Ph）₃)] （PPh₃） （6）的合成
2 的制备'>        3.4.7 TiO₂ 的制备
        3.4.8 复合催化剂的制备
    3.5 结果与讨论
        3.5.1 催化活性的评价
        3.5.2 复合催化剂的表征
        3.5.3 复合催化剂的降解机理分析
    3.6 结论
第四章 研究总结与展望
    4.1 研究总结
    4.2 展望
参考文献
致谢
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本文编号：2892250