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镍基纳米复合材料的制备及其催化还原性能研究

镍基纳米复合材料的制备及其催化还原性能研究

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作者：刘敏敏闽南师范大学

学位级别：硕士

化工行业的迅速发展导致工业废水排放急剧增多,人类赖以生存的水资源环境受到严重污染,解决水源污染问题迫在眉睫。在水源污染中,硝基苯酚类污染物及有机染料影响最为突出。其中,对硝基苯酚(4-NP)是一种稳定性强、难降解的高毒有机污染... 详细信息

化工行业的迅速发展导致工业废水排放急剧增多,人类赖以生存的水资源环境受到严重污染,解决水源污染问题迫在眉睫。在水源污染中,硝基苯酚类污染物及有机染料影响最为突出。其中,对硝基苯酚(4-NP)是一种稳定性强、难降解的高毒有机污染物,它会攻击生物体的神经系统、肝脏、肾脏等,具有致癌性、致畸性,对环境和生命体产生巨大伤害;水污染环境中含量最多的是有机染料废水,其具有成分复杂、可生化性差、毒性大、色度高等特点,严重影响水体水质和水生物生命;水体中Cr(Ⅵ)具有高毒性、致癌性和致畸性,会通过食物链富集在生物体中,对生物造成严重伤害。如何有效去除降解上述水体中有机及无机污染物是摆在研究者面前一项紧迫的研究任务。催化还原反应具有反应条件温和、降解速率高效、操作简便、成本低廉等优点,是一种有应用前景的污水治理技术。金属镍由于价廉易得、易制备,且最外层电子结构同贵金属钯、铂相同,化学性质可与贵金属相媲美。单一的金属镍纳米颗粒化学性质较活泼、易团聚,无法发挥其最佳催化活性。以碳基材料作为载体研制的纳米镍基复合物已成为催化剂材料的新宠。本论文以提升镍基纳米复合材料的催化活性为研究目标,采用镍基前驱体通过一步热聚合法制备镍基纳米复合材料并研究其催化还原活性。主要研究内容和结论如下:(1)以四水合乙酸镍和三聚氰胺为主要原料,通过调控三聚氰胺的投料量(2.0 g,2.5 g,3.0 g),在600℃下采用简便热聚合法制备g-CN@Ni空心纳米管复合材料,并利用X-射线衍射(XRD)、傅里叶红外转换光谱(FTIR)、激光拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、BET比表面积测试法(BET)、X-射线光电子能谱(XPS)等技术手段对该纳米复合材料进行表征。性能实验结果表明,三聚氰胺添加量为2.5 g的g-CN@Ni＿2.5空心纳米管复合材料催化还原4-NP性能最佳,其反应速率常数k为0.366 min,且表现出较好的循环稳定性。该催化剂对间硝基苯酚(3-NP)、邻硝基苯酚(2-NP)、亚甲基蓝(MB)、罗丹明B(Rh B)、橙黄G(OG)和天青B(AB)也具有显著的催化还原活性。(2)以比表面积最大的g-CN@Ni＿2.5空心纳米管为载体,采用光化学还原法,通过调控不同Ag NO添加量(1%,3%,5%)制备了负载型g-CN@Ni-Ag空心纳米管复合材料,并对该材料进行了XRD、FTIR、Raman、SEM、TEM、BET和XPS等技术表征。催化还原实验结果表明,Ag NO添加量为1%的g-CN@Ni-Ag＿1纳米复合材料催化还原4-NP性能最佳,其反应速率常数k为1.953 min,且表现出较好的循环稳定性。该催化剂对3-NP、2-NP及有机染料(MB、Rh B、OG、AB)也具有显著的催化还原活性。(3)以四水合乙酸镍和三聚氰胺为主要原材料,通过调控三聚氰胺的投料量(2.0 g,2.5 g,3.0 g),在500℃下采用简便的热聚合法制备g-CN@NiC-Ni核壳纳米复合材料,并使用XRD、FTIR、Raman、SEM、TEM、BET和XPS等技术手段对该纳米复合材料进行表征。实验结果表明,三聚氰胺投料量2.5 g所制备的g-CN@NiC-Ni＿2.5核壳纳米复合材料催化还原4-NP性能最佳,催化反应速率常数k为0.643 min,且表现出较好的循环稳定性。另外,该催化剂对3-NP、2-NP及有机染料(MB、Rh B、OG、AB)也具有较高的催化还原活性。(4)以二水合5-磺基水杨酸、四水合乙酸镍和草酸为主要原料,通过调控是否有三聚氰胺热解气体作为保护气氛在600℃下热解制备CN@NiS纳米复合材料,并对该复合材料进行了XRD、FTIR、Raman、SEM、TEM、BET和XPS等技术表征。性能实验结果表明,有三聚氰胺热解气体作为保护气氛所制备CN@NiS＿2的复合材料催化还原4-NP性能最佳,其反应速率常数k为3.459 min,且表现出较好的循环稳定性。该催化剂对3-NP、2-NP及有机染料(MB、Rh B、OG、AB)也具有良好的催化还原活性;同时该催化剂对Cr(Ⅵ)具有明显的催化还原效果。本论文以镍基纳米复合材料催化还原降解水体中有机及无机污染物为研究目标开展了若干探索实验研究,该研究工作为简易制备非贵金属催化剂及深度降解去除水体中污染物的应用基础研究提供了可靠的理论和实验依据,对新型还原型催化剂的研发及在污水治理领域上的应用具有重要的科学研究价值。

关键词：镍基纳米复合材料催化还原硝基苯酚类污染物有机染料 Cr(Ⅵ)

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