g-C3N4基光催化剂选择氧化5-羟甲基糠醛(5-HMF)制2,5-呋喃二甲醛(DFF)的研究

摘要

环境污染和化石能源短缺是全球面临的两个严峻问题，因此，当务之急是寻找一种可再生资源来替代化石能源。目前，丰富廉价的生物质资源被视为是一种可替代化石能源的理想可再生资源。5-羟甲基糠醛(5-HMF)是最具潜力的生物质平台化合物之一，可进一步转化为各种高品质燃料及高附加值化合物（如DFF等）。由5-HMF制备DFF早期主要是通过传统的计量氧化法，但是这些过程中需要大量的化学计量氧化剂且生成大量的废弃物，不利于环境保护且经济效益较低。因此，近年来采用分子氧氧化5-HMF制备DFF的方法越来越受到研究工作者的关注。尽管这些反应通常有较高的DFF产率，然而依然存在着价格昂贵、有毒、难以分离等问题，因此寻找一种反应条件温和的绿色催化过程及价格低廉的催化剂来进行反应成为人们研究的焦点。光催化技术以其绿色环保、光稳定性、成本低等优点被应用于各个领域，因此，从经济和环境保护两方面考虑，以光催化的方法用分子氧为氧化剂从5-HMF合成DFF是一个较为理想的反应过程，这对于解决环境污染和能源短缺都具有重大的意义。因此，本文围绕着廉价的g-C3N4光催化剂可见光催化选择氧化5-HMF制DFF的研究方面做了以下工作。
　　1.通过简单的焙烧法制备了可见光响应的g-C3N4光催化剂，并用TEM、FT-IR、XRD、XPS、N2吸附、PL及UV-vis等方法对催化剂进行表征，研究催化剂的结构和光学性质。考察了入射光波长、催化剂用量、反应时间及反应溶剂等因素对光催化氧化5-HMF制备DFF反应性能的影响。实验结果表明，采用50mg g-C3N4，在3ml三氟甲苯和2ml乙腈的混合溶剂中，可见光下反应6h，DFF的产率最高可达26.7％，其选择性为85.6％。且在5次循环后g-C3N4仍可保持较高的催化活性。此外，还通过活性物种捕获实验及氧化剂用量考察，探讨了该反应机理。
　　2.通过简单的沉淀法制备了一系列不同V含量的VO@g-C3N4复合型光催化剂，并对各样品的光学性质及结构进行表征。FT-IR及XPS分析表明，VO的引入并没有使g-C3N4的结构发生明显的改变。UV-vis结果表明VO的引入使g-C3N4对可见光的吸收发生了明显的红移，PL谱图显示VO@g-C3N4复合催化剂有效地抑制了光生载流子的复合，从而提高光催化反应效率。在光催化氧化5-HM合成DFF反应中，在可见光的照射下VO@g-C3N4(10％V)表现出最佳的催化活性，反应4h后可得35.7％的5-HMF转化率和86.0％的DFF选择性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．2 5-HMF催化氧化制DFF的研究进展

1．2．1 DFF的应用和合成

1．2．2 传统氧化剂催化体系

1．2．3 绿色氧化剂催化体系

1．3 光催化技术概述

1．3．1 光催化技术的原理

1．3．2 光催化技术在选择性氧化方面的应用

1．4 g-C3N4材料的研究进展

1．4．1 g-C3N4的合成方法

1．4．2 g-C3N4的应用

1．5 本论文的研究意义和研究内容

1．5．2 研究思路

第二章 实验部分

2．1．2 主要仪器与型号

2．2 催化剂的表征

2．2．4 紫外-可见漫反射(UV-vis DRS)

2．2．5 透射电子显微镜(reM)

2．2．6 荧光光谱(PL)

2．3．1 催化剂光催化氧化反应

2．3．2 活性物种捕捉测试

2．3 数据的分析与处理方法

2．3．1 5-HMF和DFF的定性分析

2．4．2 5-HMF和DFF的定量分析

2．4．3 5-HMF和DFF的产率计算

第三章 可见光下g-C3N4选择性氧化5-HMF制DFF的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 催化剂g-C3N4的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 催化剂g-C3N4的表征

3．3．2 催化活性

3．4 本章小结

第四章 可见光下VO@g-C3N4选择性催化氧化5-HMF制DFF的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3．1 催化剂g-C3N4的表征

4．3．2 催化活性

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的科研成果

致谢

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