碳氮载金复合催化剂的构筑及催化还原硝基苯类污染物研究

作     者：陈铭 

作者单位：东莞理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：方嘉声;黄阳海

授予年度：2024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：纳米金属催化剂 碳氮结构 核壳结构 催化还原 合成化学工业废水 

摘      要：近年来,针对合成化学工业废水的有效处理成为水污染控制领域的研究热点之一。非均相催化还原法是一种环境友好且高效便捷的技术。该方法使用固体催化剂催化Na BH生成高活性金属氢络合物种,通过界面电子转移可将合成化学工业废水中含有的硝基苯类污染物催化转化为低毒性、高生化性、高附加值的胺类物质,能有效促进该类有机废水资源转化和综合利用,体现更高的商业价值和应用前景。作为催化还原法的关键功能材料,纳米载金催化剂可通过制备特定性质的载体结构,缓解Au纳米颗粒团聚和流失问题。本论文采用碳氮结构来分散负载Au纳米颗粒,通过构建核壳复合结构担载高活性碳氮载金复合物,有效提高负载的Au纳米颗粒的稳定性和催化活性,使其具有较好的循环使用性能。结合界面反应策略,采用双金属氧化物复合壳层结构封装碳氮载金复合物,或者采用强还原性金属离子原位还原Au纳米颗粒以构筑双金属氧化物锚定碳氮载金复合物,得到具有不同构筑结构的核壳复合载金催化剂,进一步增强其催化转化合成化学工业废水硝基苯类污染物的反应性能。主要研究内容如下: （1）构筑CeO-CoO壳层封装碳氮（CN）结构修饰改性埃洛石（HNT）载金复合催化剂（HNT/CN@Au-CeCo）。HNT/CN@Au-CeCo呈中空管状核壳结构,CN结构修饰在改性HNT表面,Au纳米颗粒分散于CN并被CeO-CoO复合物进一步封装固化,可迅速催化还原硝基苯酚（4-NP、3-NP、2-NP）和硝基苯胺（4-NA、3-NA、2-NA）污染物。该催化剂在对硝基苯酚（4-NP）与罗丹明B（Rh B）或亚甲基蓝（MB）的共混废水实验中表现出优异的还原脱色和催化转化性能。连续5次循环实验后,催化剂对4-NP的转化率仍高达99%。HNT/CN@Au-CeCo相对于单一氧化物壳层催化剂具有更快的催化还原速率。CN薄层能有效增强Au纳米颗粒的尺寸效应。HNT载体的支撑作用赋予CN更大的比表面积、更多的活性位点及丰富的孔隙结构。CeO-CoO复合物与CN结构的协同增强作用提高了该催化剂在催化还原反应中的电子转移效率。 （2）构筑CeO-CoO壳层封装中空碳氮纳米管（TCN）载金复合催化剂（TCN@Au-CeCo）。Au纳米颗粒分散于TCN表面活性位点并被CeO-CoO复合物进一步封装固化,在硝基苯酚和硝基苯胺污染物的催化还原中具有较高的转化效率,并对含有Rh B与4-NP或4-NA的混合废水具有良好的处理效果。连续5次循环实验,该催化剂对4-NP的催化转化效率仍达到95%。TCN较大的比表面积和丰富的孔隙结构能够充分发挥Au纳米颗粒的尺寸效应。通过TCN的π-π相互堆叠作用,提升了复合催化剂对硝基苯类污染物的吸附和传质效率。相较于单一氧化物壳层催化剂,CeO-CoO壳层更具有优势,其独特的孔隙结构能充分发挥量子限域效应,并且CeO-CoO与Au纳米颗粒产生特殊界面化学效应以及金属-载体相互作用,进一步分散和稳定Au纳米颗粒并防止其团聚和流失,与TCN载体形成良好的协同催化作用,有效提高了该复合催化剂的稳定性和反应活性。 （3）基于Sn原位还原Au颗粒以构筑TCN支撑CeO-SnO锚定碳氮载金复合催化剂（TCN@CeO-Au/SnO）。采用强还原性Sn金属离子原位还原Au颗粒,同步制备CeO-SnO复合物进一步锚定Au纳米颗粒。该复合催化剂能高效催化还原硝基苯酚和硝基苯胺污染物。该催化剂可在5 min内完成对含有MB的4-NP和4-NA混合废水的脱色降解过程。连续5次循环反应后,该催化剂仍保持97%以上的转化率。催化反应体系中,减少污染物浓度以及提高还原剂浓度和温度均有助于催化剂催化性能的提升,碱性条件下催化反应速率无明显变化,无机离子对催化反应起抑制作用。强还原性Sn离子能原位还原Au纳米颗粒并同步形成CeO-SnO复合物,进一步对Au颗粒在TCN表面进行固化锚定。CeO-SnO复合物的结构稳定性高,能有效控制Au纳米颗粒的尺寸区间,促进Au颗粒的选择性暴露,从而提高其稳定性和循环使用性能。TCN、CeO、Au与SnO组分间的协同增强作用提高了催化剂在还原反应过程的电子迁移速率,并优化其电子传递路径,从而提升了催化剂整体催化性能。