β-环糊精功能化磁性纳米复合材料的制备、表征及应用

摘要

环糊精以其独特的外亲水、内疏水的结构,可以有选择性地和众多的无机、有机和生物分子相结合,形成稳定的主-客体包合物,在分析化学、催化、药物和生命科学领域中有占有特殊的重要地位。磁性纳米粒子具有独特的超顺磁性、较大的比表面积、好的分散性、良好的生物兼容性、催化活性、以及低毒性等性质,在很多领域都有广泛的研究和应用。利用表面活性剂、无机化合物或者聚合物对磁性粒子进行表面修饰,有助于提高粒子的稳定性、生物相容性,有利于粒子的进一步修饰和应用。把二者有机的结合起来形成易分离、可重复利用的多功能性有机无机杂化的环糊精功能化磁性纳米复合材料,既保留了磁性纳米粒子的磁性又拥有了超分子的分子识别功能,显示出巨大的应用潜力。本文主要集中研究了环糊精功能化的磁性纳米复合材料合成、表征、以及在环境废水处理及催化方面的应用。
　　本论文分为六章:
　　第一章:简要介绍了研究磁性纳米粒子背景、特性、制备、表面修饰以及应用;总结了磁性纳米复合材料的分类、制备、表征手段以及应用;概述了环糊精的特性、分子识别作用及应用;综述了环糊精功能化磁性纳米复合材料的研究进展情况。
　　第二章:结合化学共沉淀法、溶胶-凝胶法制备了二氧化硅包覆的磁性纳米粒子Fe3O4@SiO2,经环氧基硅烷偶联剂对其表面修饰后,进一步与氨基化的?-环糊精进行开环缩合反应,制备了一种新型?-环糊精功能化磁性纳米复合材料(CD-GLYMO-MNPs)。通过SEM、TEM、XRD、TGA、VSM、FTIR、BET等技术对材料的形貌、磁性、组成、结构和比表面积等进行了表征,结果表明:Fe3O4磁性纳米粒子粒径均为~10nm,合成材料的平均粒径为200～300nm,磁响应性良好,保持了Fe3O4的尖晶石结构,环糊精分子成功地接枝于磁性纳米粒子表面。
　　第三章:以CD-GLYMO-MNPs为吸附剂,系统地研究了其对环境水中六价铬Cr(VI)的吸附性能,特别是Cr(VI)溶液体系pH值、温度、初始浓度、共存重金属离子等对材料吸附性能的影响。结果表明:CD-GLYMO-MNPs对Cr(VI)的最大饱和吸附量为qm=39.53mg/g,并可以在60min中内完全达到吸附平衡。吸附平衡数据符合Langmuir吸附平衡等温式,属于单分子层吸附。吸附动力学研究表明,材料对Cr(VI)的吸附行为遵循准二级速率方程。CD-GLYMO-MNPs对Cr(VI)的吸附机理涉及静电相互作用和主客体相互作用。
　　第四章:以对硝基苯酚(PNP)为模型化合物,运用紫外-可见分光光度法研究了CD-GLYMO-MNPs为吸附剂对PNP的吸附行为,吸附平衡数据符合Langmuir吸附平衡等温式,表明此吸附剂对PNP的吸附过程符合单分子层吸附机理,最大吸附量为83.33mg/g。本研究为CD-GLYMO-MNPs在废水中对PNP以及酚类物质的吸附处理应用提供了一定的理论依据。
　　第五章:创造性地采用CD-GLYMO-MNPs吸附重金属Cr(VI)后的回收材料(Cr-CD-MNPs)为催化剂,通过TEM、VSM、TGA、XRD、FTIR等对其表征。以苯甲醇为底物,30％H2O2为氧化剂,详细考察了其对苯甲醇选择性氧化的催化性能,探讨了各个影响因素(氧化剂用量、反应时间、反应温度、反应体系中加入酸用量、催化剂用量及溶剂种类等)对催化性能的影响。结果表明:以30%H2O2为氧化剂,在适量质子酸存在下,Cr-CD-MNPs能有效地选择性催化氧化苯甲醇为苯甲醛。吸附重金属Cr(VI)后材料展示了良好的应用前景,可以实现“变废为宝”的目的。
　　第六章:总结了?-环糊精及其衍生物功能化磁性纳米复合材料对多种客体分子的吸附行为和应用,并对该材料在其他方面的应用进行了展望。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 磁性纳米粒子的研究进展

1.3 磁性纳米复合材料的研究进展

1.4 环糊精的研究进展

1.5 环糊精功能化的磁性纳米粒子研究进展

1.6 本文研究的目的意义、内容及创新之处

1.7 本章小结

第二章 环糊精功能化磁性纳米复合材料的合成与表征

2.1 引言

2.2 实验材料与仪器

2.3 环糊精功能化磁性纳米复合材料的合成和表征

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第三章 环糊精功能化磁性纳米复合材料对环境水中 Cr(VI)的吸附性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 环糊精功能化磁性纳米复合材料对环境水中对硝基苯酚的吸附性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 吸附Cr(Ⅵ)后磁性纳米复合材料的再利用-催化性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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