一维纳米管光催化剂的制备与催化活性研究

摘要

光催化是在光催化剂的作用下，利用光照引发化学反应，能够在相对温和的条件下实现化学键的断裂与重组，具有绿色清洁、安全环保和易于控制等优点。近年来，越来越多的研究者致力于尝试使用光催化的手段来实现各种有机化学反应，如还原偶联、交叉偶联等反应，以及有机磷化合物、染料等有机物的光催化降解。然而，现有的光催化剂普遍存在催化效率偏低、普适性不高、可见光利用效率不高等很多不足，这些不足限制着光催化的进一步发展。　　为了进一步提高光催化效率，本论文围绕一维管状光催化剂，通过贵金属掺杂半导体、异质结复合、多组分异质结等方式，构建了Au/CuCo2O4二元光催化剂，Au/CuO/Co3O4及Pd/CuO/Co3O4三元光催化剂并研究了它们的光催化性能。考虑到Au，Pd等贵金属成本高的问题，进一步合成了Au/Fe3O4/PEI/rGO纳米复合催化剂，尝试在保持贵金属催化活性的情况下，降低催化剂成本，实现贵金属催化剂的循环利用。本论文共分为五章，主要内容简述如下：　　第一章：首先对光催化的研究进展进行了概述。对光催化原理、半导体材料光催化应用及进展、影响半导体光催化活性的因素、提高光催化效率的途径等方面的进展进行讨论。同时，对静电纺丝技术制备一维纳米材料的方法进行了介绍。　　第二章：制备了Au/CuCo2O4二元光催化剂，研究了其在可见光催化α,β-不饱和醛选择性加氢反应中的催化性能。首先通过简单，低成本的静电纺丝方法合成了一维管状半导体光催化剂CuCo2O4。再通过光诱导还原的方法引入贵金属纳米颗粒，从而构建一种贵金属/半导体异质结。该二元催化剂一方面可以利用金纳米颗粒的等离子体激元效应的优点，另一方面可利用金纳米颗粒/半导体界面的电荷分离特性，高效地实现了α,β-不饱和醛的光催化选择性加氢。以5-羟甲基糠醛为例，20℃下反应60min后，转化率达到93%，选择性100%。　　第三章：制备了Au/CuO/Co3O4三元光催化剂，研究了其在可见光催化水释氧反应中的催化性能。首先通过简单、低成本的静电纺丝方法成功合成一种能级结构合理的异质结，在该异质结上进一步引入贵金属从而构建三组分异质结构。这种三组分异质结结构结合了异质结和等离子体激元效应的优点，在可见光范围内光响应可以大大增强，并且可以有效阻止电子-空穴的快速复合，从而提高催化效率。三元光催化剂催化条件下，释氧速率达2.92mmolh?1g?1,其催化效率较二元光催化剂CuO/Co3O4提高了47%。　　第四章：制备了Pd/CuO/Co3O4三元光催化剂，以亚甲基蓝(methyleneblue,MB)的光催化降解为模板反应，评价了其光催化活性。该催化剂通过简单、低成本的静电纺丝和光诱导还原方法合成。利用多组分异质结拓宽了光吸收利用范围，提高光催化降解的效率，实现了有机染料分子的高效光降解。并通过不同贵金属的修饰，有望增加可降解底物的种类，并深入理解CuO/Co3O4光催化剂的催化机理。　　第五章：制备了Au/Fe3O4/PEI/rGO纳米复合催化剂，实现了4-硝基苯酚还原反应的高效催化，催化速率常数达到0.429min-1。将金纳米颗粒与石墨烯通过化学键进行连接，提高了其分散性与稳定性。进一步通过与磁性四氧化三铁连接，实现了该催化剂的循环回收利用，为贵金属催化剂的回收再利用提供了一种可行的思路。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 光催化原理

1.3光催化反应类型及进展

(1) 光分解水

(2) 光催化降解有机污染物

(3) 光催化 选择性加氢反应

1.4 影响半导体光催化活性的因素

1.4.1 能带结构

1.4.2 形貌的影响

1.4.3 温度和光照强度的影响

1.5 提高光催化效率的途径

1.5.1 贵金属沉积

1.5.2 半导体复合

1.5.3 离子掺杂

1.5.4 染料光敏化

1.5.5 光催化材料纳米化

1.6 静电纺丝技术制备一维纳米材料概述

1.7 选题思路

参考文献

第二章Au/CuCo2O4纳米管的制备及可见光催化α，β-不饱和醛选择性加氢性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 材料和仪器

2.2.2 聚丙烯腈纳米纤维的制备

2.2.3 纳米片结构钴酸铜（CuCo2O4）纳米管的制备

2.2.4 Au/CuCo2O4纳米管的制备

2.2.5 不饱和醛的光催化加氢反应

2.2.6 催化剂循环利用

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章Au/CuO/Co3O4三元异质结纳米管的制备及可见光催化释氧性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验主要试剂

3.2.2 实验主要仪器

3.2.3 CuO/Co3O4异质结纳米管的合成

3.2.4 Au/CuO/Co3O4异质结纳米管的合成

3.2.5 光电化学测量

3.2.6 表观量子效率测量

3.2.7 Au/CuO/Co3O4纳米管光催化释氧反应

3.2.8 表观量子效率（AQE）的计算

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 Pd/CuO/Co3O4异质结纳米管的制备及可见光催化有机物降解性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.21 材料

4.22 仪器

4.23 Pd/CuO/Co3O4异质结纳米管的合成

4.24 Pd/CuO/Co3O4纳米管的光催化降解亚甲基蓝

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

第五章 磁性碳基上金纳米颗粒的原位生长及其在4-硝基苯酚还原反应中的应用

5.1 引言

5.2 实验部分

5.21 试剂及溶剂

5.22 实验仪器

5.23 DIB/PEI/rGO的合成

5.24 Au/PEI/rGO的合成

5.25 Au/Fe3O4/PEI/rGO的合成

5.26 催化活性的测试

5.3 结果与讨论

5.31 催化剂的表征

5.32 Au/Fe3O4/PEI/rGO在催化还原4-NP反应中的应用

5.33 Au/Fe3O4/PEI/rGO的催化活性机理

5.34 Au/Fe3O4/PEI/rGO催化剂的可重复使用性

5.4 结果和讨论

参考文献

结论和展望

在学期间的研究成果

致谢