碳纳米管共价接枝铁酞菁催化降解有机污染物的研究

摘要

水是人类赖以生存的最重要资源之一，在自然界中有着无可取代的地位。随着社会的不断发展，水资源的污染问题也越来越被人们广泛关注。工业废水是水污染的最大污染源，大部分的工业废水中都含有大量的有毒污染物，如氯代芳香族化合物、抗生素、共轭染料等。这些有机化合物会对水体生物和人体产生非常严重的危害。因此，设计高效清洁的催化体系去除水中有机污染物具有非常重要的意义。
　　金属酞菁是一种与细胞色素P450活性中心卟啉结构类似的大环共轭分子，常被用在催化的各个领域，利用不同的载体负载，可以制备出各种不同功能的催化体系。碳纳米管是一种优良电化学性能的材料，常被作为各种催化剂的载体应用于各个催化领域。它与酞菁都具有π电子共轭结构，是一种极具潜力的酞菁负载材料。研究碳纳米管与酞菁之间的相互作用，揭示催化反应机理，是控制酞菁催化反应的基础。
　　本文通过固相法制备了四硝基铁酞菁(FeTNPc)，部分还原后得到带氨基的硝基铁酞菁(FeMATNPc)。利用羧基改性的多壁碳纳米管(MWCNTs)与FeMATNPc发生酰胺反应制备了MWCNTs-CONH-FeTNPc；利用原始MWCNTs与FeMATNPc发生脱氨基反应直接键合制备了与MWCNTs-FeTNPc。实验选用酸性红G(AR1)和对氯苯酚(4-CP)作为主要底物，H2O2为氧化剂，来研究催化剂的活性。论文还研究了温度、氧化剂浓度、pH等对催化活性的影响。循环实验表明催化剂具有良好的稳定性。电子顺磁共振(EPR)用来检测自由基和MWCNTs中的导带电子，循环伏安实验用来研究MWCNTs和酞菁之间的电子转移。
　　MWCNTs的引入使酞菁催化体系的活性大大增强，在两个催化体系中都有羟基自由基(·OH)、过氧自由基(·OOH)和高价铁(Fe(Ⅳ)=O)的形成。实验表明，两个体系中活性种的形成有很大差异。在MWCNTs-FeTNPc/H2O2体系中，少量的H2O2便可形成大量的·OH和·OOH；尽管只有少量·OH在MWCNTs-CONH-FeTNPc/H2O2体系中生成，但有更多的Fe(Ⅳ)=O活性种参AR1的氧化。EPR和CV实验推测，MWCNTs中充满导带电子，且其与酞菁之间的电子传输效率较高；而氧化MWCNTs中导带电子则十分匮乏，其与酞菁之间的电子传输效率也较低。MWCNTs-CONH-FeTNPc和MWCNTs-FeTNPc电子性质的不同，是两个体系催化活性不同的本质原因。本研究为制备高效的MWCNTs负载型催化剂提供了新的思路，为调控有机合成、绿色化学以及环境处理中的催化反应奠定了基础。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 水中有机污染物的处理现状

1.3 金属酞菁催化剂的研究现状

1.4 碳纳米管在水处理中的应用

1.5 课题的提出及研究内容

第二章 多壁碳纳米管共价接枝铁酞菁的制备及表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第三章 多壁碳纳米管共价接枝铁酞菁的催化性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4小结

第四章 多壁碳纳米管共价接枝铁酞菁的催化机理

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第五章 总结

参考文献

硕士期间发表论文

致谢