MOF衍生亚纳米尺度催化剂的构建及其催化性能研究

作     者：唐巍纳 

作者单位：临沂大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑秀文

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：单原子催化剂 高级氧化技术 过氧一硫酸盐 双反应位点 类Fenton反应 

摘      要：有机污染物对水体的污染已经严重危害了生态环境和人类的健康,特别是染料废水在环境中的排放,已引起全球性的广泛关注。高级氧化技术(Advanced Oxidation Processes,AOPs)因可产生能高效降解有机污染物的活性物质而成为有效的废水处理技术。近年来,基于过氧单硫酸盐(PMS)的Fenton-like工艺在降解持久性有机污染物方面得到了广泛的研究和认可。传统催化剂在催化过程中存在催化活性低、稳定性差、PMS利用率低、易发生金属二次污染等缺陷,严重阻碍了其在实际生产中的应用。单原子催化剂因其超高的原子效率、可调的电子结构、清晰的结构和优异的催化活性成为催化领域的研究热点。本论文选用通过溶剂热法合成的氮掺杂碳材料作为载体,通过二次热解的方法将金属钌原位锚定在氮掺杂碳载体上,最终合成了粒径为200 nm左右的原子级分散金属位点催化剂Ru-N-C。将制备的Ru-N-C催化剂应用于染料废水中有机污染物的降解,得出如下结论:(1)本论文制备的Ru-N-C材料在活化过氧单硫酸盐(PMS)降解有机污染物方面表现出高活性和高稳定性。与负载钌颗粒的传统催化剂(Ru-N-C)相比,Ru-N-C能有效激活PMS产生大量的活性物质(O)降解橙黄Ⅱ(OrangeⅡ),6 min内OrangeⅡ的去除率可达100%。对难降解有机物双酚A和苯酚,也可以达到在10 min内去除完全的高效率。在多次循环和再生实验中,Ru-N-C展现了高稳定性和高循环使用性。此外,在循环降解实验后金属离子浸出检测实验中,Ru-N-C释放的Ru离子几乎可以忽略不计,说明制备的Ru-N-C可以有效抑制二次金属污染。(2)自由基清除实验、电子自旋共振实验以及密度泛函理论计算表明,在N配位的单Ru原子(Ru-N)位点上产生的活性物质单线态氧(O)是高效降解有机污染物的关键活性物质。同时,吡啶N作为一个功能位点,将目标污染物锚定在氮掺杂碳基体的表面区域。Ru -N-C催化剂高催化活性主要是由于其具有神奇的双反应位点,该双反应位点显著缩短了单线态氧等活性物质向吸附在氮掺杂碳基体上的有机分子的迁移距离。本工作创新性地为类Fenton反应在水处理中的应用提供了一种很有前景的单Ru原子催化剂/PMS体系。