静电诱导自组装构建Fe/Zr基MOF杂化材料及其光催化性能
发布时间：2022-01-05 01:10
随着现代工农业的飞速发展,由于资源的大量消耗,严重的环境污染问题接踵而来,在各种污染物中,空气和水中的有机污染物引起了人们广泛的关注。因此开发有效、经济的技术处理这些有机污染物十分必要。目前,许多技术已经被开发和利用,包括吸附、离子交换、膜过滤、电解、光催化和高级氧化过程等。与其他方法相比,光催化被认为是一种低成本、环保且有效降低有机污染物的策略。金属有机骨架（MOFs）作为一种典型的无机-有机多孔材料广泛应用于多种领域,近年来尤其在光催化领域得到了迅速的发展,但其自身作为光催化剂仍然存在一些缺陷,从而限制了其实际应用。因此,需对MOFs材料进行改性以提高其光催化活性。本论文以改善MOFs材料光催化活性为目的,选用常见的MOF材料UiO-66（Zr）和MIL-101（Fe）为研究对象,分别制备了UiO-66纳米粒@花状MoS2、SnS2 NPs@UiO-66和PL@MIL-101（Fe）三种复合光催化材料。本论文内容主要包括以下部分:第一章,首先介绍了光催化的基本反应原理、光催化剂的主要类型及影响光催化活性的因素;其次对MOFs的定义、分类和...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：114 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体光催化反应机理示意图
瓿芍屑涮逶诎糇磄-C3N4上原位制备多面体ZIF-8纳米粒子。Huang等[87]开发了一种简便的溶剂热法制备了g-C3N4/MIL-53(Fe)复合光催化剂，即将g-C3N4嵌入了MIL-53(Fe)的表面以产生异质结结构，提高了光生电子的转移效率，通过在可见光下对Cr(VI)的还原评价了其光催化活性。结果表明，其反应速率为0.0191（比纯MIL-53(Fe)和g-C3N4的反应速率高3.4和4.8倍）；g-C3N4的CB上的e-被转移到MIL-53(Fe)的CB，此外，来自MIL-53(Fe)的VB上的h+转移到MIL-53(Fe)的VB，说明g-C3N4可减少电荷复合并在MIL-53(Fe)的CB中收集更多的自由电子。图1-2ZCN-X复合材料的合成示意图Fig.1-2SyntheticschematicdiagramofZCN-Xcompositematerial（2）MOF/C复合光催化剂研究表明，向MOFs中引入碳材料（如：氧化石墨烯（GOs）和碳纳米管（CNTs））可在很大程度上改变其形态和结构，从而增加材料的表面积[88,89]，并能改善MOFs的分散力，有助于吸附容量的提高[90,91]。同时，碳材料的存在可通过阻塞通道（位阻效应）和与有机连接基竞争以占据金属位点，从而能有效减少中毒作用[92]。此外，还可改善其他性能，如高机械性能、优异的化学稳定性、弹性强度和出色的电子热稳定性[93]。其优势促进了MOF/碳材料（MOFs-C）在更多领域中的应用，可作为环境友好、高效的光催化剂，以补救大气和水环境的污染。Yuan等[94]采用一锅自组装法制备了Ag/MIL-125(Ti)/RGO复合材料，显著提高了可见光下对RhB的光催化降解效率，50min内去除率达到100％。复合材料的表观速率常数是纯MIL-125(Ti)的1.62倍，RGO的二维共轭结构促进了电荷沿RGO片材界面转移，从而实现了有效的电荷分离。Huang等[95]报道的NH2-MIL-125(Ti)/RGO及Yang等[96]报道的NH2-MIL-53(Al)/RGO材料对MB的光催化降解中也有类似的结果?
第1章绪论13图1-3UiO-66的晶体结构示意图Fig.1-3SchematicdiagramofthecrystalstructureofUiO-661.3.2UiO-66(Zr)材料主要合成方法（1）溶剂热合成通过溶剂热法首次合成了UiO-66，是将ZrCl4与对苯二甲酸（H2BDC）溶解于DMF中并密封在水热反应器中，120°C下加热24h，获得微晶粉末。通过在系统中添加单齿配体（如苯甲酸或乙酸（AA））以诱导与原始桥联配体的配位竞争，可以调节配位过程以获得具有改进晶粒尺寸的晶体[131]。有关苯甲酸和AA对UiO-66及UiO-66-NH2的大小和形态调节作用已有系统研究[132]。结果表明，当加入的苯甲酸的化学计量为30倍时，产品的晶粒直径有明显提升，并从聚集颗粒转变为八面体晶体。尽管溶剂热法会实现高结晶度和均匀的形态，但耗时较长并且产品收率低，这很难实现高效的批量生产。（2）微波辅助合成微波辅助合成的优势就是能缩短反应时间。Chen等[133]通过微波辅助法合成的UiO-66仅需2h，同时，在体系中添加苯甲酸作为调节剂能有效提高UiO-66的比表面积（从888m2/g增至1661m2/g）。Taddei等[134]研究了微波辅助法对UiO-66合成效率和性能的影响，该方法合成的UiO-66在形态、晶体尺寸和结构上与传统溶剂热法获得的UiO-66相比没有明显差异。微波辅助法可有效扩大合成范围、缩短反应时间，理论产量可达2241kg·m-3·d-1。（3）机械化学合成合成UiOs的关键因素是获得Zr6O4(OH)4团簇。Uzarevic等[135]先利用Zr(OPr)4制备Zr基前驱体Zr6O4(OH)4(C3H3CO2)12，然后通过机械化学合成UiO-66
【参考文献】：
期刊论文
[1]宽pH条件下运行的太阳光催化钨酸铋降解抗生素诺氟沙星（英文）[J]. 陈美娟,黄宇,朱威. 催化学报. 2019(05)
[2]Bi/BiOI/（BiO）2CO3异质结可见光催化净化NO的性能增强（英文）[J]. 孙艳娟,廖佳珍,董帆,吴素娟,孙立东. 催化学报. 2019(03)
[3]金属有机骨架基催化剂在加氢反应中的应用（英文）[J]. 陈芝杰,陈俊英,李映伟. 催化学报. 2017(07)
[4]TiO2纳米管的离子交换改性及光催化去除水中四环素的研究[J]. 卢昶雨,关卫省,彭悦欣,李娇,郑佩. 北京化工大学学报(自然科学版). 2015(01)
硕士论文
[1]应用金属离子掺杂MIL-101（Fe）催化剂活化过硫酸盐技术降解水中有机污染物的研究[D]. 段美娟.华南理工大学 2017
[2]废弃花叶基活性炭材料的制备及其吸附性能研究[D]. 刘洁.西北师范大学 2016
[3]碳酸钙微晶的仿生合成及性质研究[D]. 倪娜.安徽大学 2011
本文编号：3569424
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：114 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体光催化反应机理示意图
瓿芍屑涮逶诎糇磄-C3N4上原位制备多面体ZIF-8纳米粒子。Huang等[87]开发了一种简便的溶剂热法制备了g-C3N4/MIL-53(Fe)复合光催化剂，即将g-C3N4嵌入了MIL-53(Fe)的表面以产生异质结结构，提高了光生电子的转移效率，通过在可见光下对Cr(VI)的还原评价了其光催化活性。结果表明，其反应速率为0.0191（比纯MIL-53(Fe)和g-C3N4的反应速率高3.4和4.8倍）；g-C3N4的CB上的e-被转移到MIL-53(Fe)的CB，此外，来自MIL-53(Fe)的VB上的h+转移到MIL-53(Fe)的VB，说明g-C3N4可减少电荷复合并在MIL-53(Fe)的CB中收集更多的自由电子。图1-2ZCN-X复合材料的合成示意图Fig.1-2SyntheticschematicdiagramofZCN-Xcompositematerial（2）MOF/C复合光催化剂研究表明，向MOFs中引入碳材料（如：氧化石墨烯（GOs）和碳纳米管（CNTs））可在很大程度上改变其形态和结构，从而增加材料的表面积[88,89]，并能改善MOFs的分散力，有助于吸附容量的提高[90,91]。同时，碳材料的存在可通过阻塞通道（位阻效应）和与有机连接基竞争以占据金属位点，从而能有效减少中毒作用[92]。此外，还可改善其他性能，如高机械性能、优异的化学稳定性、弹性强度和出色的电子热稳定性[93]。其优势促进了MOF/碳材料（MOFs-C）在更多领域中的应用，可作为环境友好、高效的光催化剂，以补救大气和水环境的污染。Yuan等[94]采用一锅自组装法制备了Ag/MIL-125(Ti)/RGO复合材料，显著提高了可见光下对RhB的光催化降解效率，50min内去除率达到100％。复合材料的表观速率常数是纯MIL-125(Ti)的1.62倍，RGO的二维共轭结构促进了电荷沿RGO片材界面转移，从而实现了有效的电荷分离。Huang等[95]报道的NH2-MIL-125(Ti)/RGO及Yang等[96]报道的NH2-MIL-53(Al)/RGO材料对MB的光催化降解中也有类似的结果?
第1章绪论13图1-3UiO-66的晶体结构示意图Fig.1-3SchematicdiagramofthecrystalstructureofUiO-661.3.2UiO-66(Zr)材料主要合成方法（1）溶剂热合成通过溶剂热法首次合成了UiO-66，是将ZrCl4与对苯二甲酸（H2BDC）溶解于DMF中并密封在水热反应器中，120°C下加热24h，获得微晶粉末。通过在系统中添加单齿配体（如苯甲酸或乙酸（AA））以诱导与原始桥联配体的配位竞争，可以调节配位过程以获得具有改进晶粒尺寸的晶体[131]。有关苯甲酸和AA对UiO-66及UiO-66-NH2的大小和形态调节作用已有系统研究[132]。结果表明，当加入的苯甲酸的化学计量为30倍时，产品的晶粒直径有明显提升，并从聚集颗粒转变为八面体晶体。尽管溶剂热法会实现高结晶度和均匀的形态，但耗时较长并且产品收率低，这很难实现高效的批量生产。（2）微波辅助合成微波辅助合成的优势就是能缩短反应时间。Chen等[133]通过微波辅助法合成的UiO-66仅需2h，同时，在体系中添加苯甲酸作为调节剂能有效提高UiO-66的比表面积（从888m2/g增至1661m2/g）。Taddei等[134]研究了微波辅助法对UiO-66合成效率和性能的影响，该方法合成的UiO-66在形态、晶体尺寸和结构上与传统溶剂热法获得的UiO-66相比没有明显差异。微波辅助法可有效扩大合成范围、缩短反应时间，理论产量可达2241kg·m-3·d-1。（3）机械化学合成合成UiOs的关键因素是获得Zr6O4(OH)4团簇。Uzarevic等[135]先利用Zr(OPr)4制备Zr基前驱体Zr6O4(OH)4(C3H3CO2)12，然后通过机械化学合成UiO-66
【参考文献】：
期刊论文
[1]宽pH条件下运行的太阳光催化钨酸铋降解抗生素诺氟沙星（英文）[J]. 陈美娟,黄宇,朱威. 催化学报. 2019(05)
[2]Bi/BiOI/（BiO）2CO3异质结可见光催化净化NO的性能增强（英文）[J]. 孙艳娟,廖佳珍,董帆,吴素娟,孙立东. 催化学报. 2019(03)
[3]金属有机骨架基催化剂在加氢反应中的应用（英文）[J]. 陈芝杰,陈俊英,李映伟. 催化学报. 2017(07)
[4]TiO2纳米管的离子交换改性及光催化去除水中四环素的研究[J]. 卢昶雨,关卫省,彭悦欣,李娇,郑佩. 北京化工大学学报(自然科学版). 2015(01)
硕士论文
[1]应用金属离子掺杂MIL-101（Fe）催化剂活化过硫酸盐技术降解水中有机污染物的研究[D]. 段美娟.华南理工大学 2017
[2]废弃花叶基活性炭材料的制备及其吸附性能研究[D]. 刘洁.西北师范大学 2016
[3]碳酸钙微晶的仿生合成及性质研究[D]. 倪娜.安徽大学 2011
本文编号：3569424
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