芳香醇选择氧化多相光催化剂制备策略及性能调控

来源 :江南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:doudou2008
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通过醇羟基的官能团转化得到的羰基化合物(醛、酮)被广泛地应用于化工生产中,而传统制备工艺中的高温、高压和强氧化剂等条件会导致副反应和低选择性等问题。随着科技的发展,人们面临着日益严重的环境污染和能源危机问题,发展绿色、环保、无毒和节能的合成工艺是未来化学工业发展的重要研究方向,其中光催化有机转化因其温和的反应条件,成为有机合成反应中的绿色新型催化手段。以氧气为氧化剂,利用光诱导芳香醇进行选择性氧化反应,符合环保政策和绿色化学发展要求,但光催化剂的催化活性低、反应速率慢是光催化反应中有待解决的科学问题。因此,探索高效、稳定、环保的光催化剂对光催化有机转化具有重要意义。石墨相氮化碳聚合物(g-C3N4)因其无毒、环保、合成工艺简单、带隙合适、廉价、物理化学性质稳定等优点,成为光催化研究的热点。本论文立足于解决光催化芳香醇选择性氧化过程中的低选择性和低转化率等问题。通过光催化材料的改性来调控其光吸收效率和光生电荷分离效率,达到提高催化活性的目的。首先设计了氧空位修饰的钨酸铋无机金属光催化剂,实现其对芳香醇光催化效率的提高。但钨酸铋固定的钙钛矿层状结构、原料成本高、导带位置低和带隙调控有限等缺点,限制了其多样性的发展。因此,选择廉价、无毒、合成工艺简单、带隙可调、稳定性好的有机半导体g-C3N4作为光催化材料,通过结构设计、元素掺杂等策略合成了一系列具有多孔结构的g-C3N4光催化剂,在模拟太阳光的照射下,对其光催化芳香醇选择性氧化的催化活性和产物选择性进行了系统的研究。本论文主要内容和结果如下:(1)通过阴、阳离子双表面活性剂策略合成了具有氧空位的花状钨酸铋(Bi2WO6-C/S-x)。利用阴、阳离子表面活性剂在水溶液中形成的胶束来调控Bi2WO6的生长,从而达到调控其形貌和表面缺陷的目的。结果表明,氧空位的存在扩大了Bi2WO6的光响应范围,能够捕获电子达到促进光生电子-空穴分离的目的,最终实现其光催化性能的提高。在光催化苯甲醇选择性氧化的实验中,当阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的摩尔比值为2时(Bi2WO6-C/S-2),对苯甲醇的光催化效率最高,在模拟太阳光照射12h后,原料苯甲醇的转化率为91.5%,产物苯甲醛的选择性超过99.0%。另外,Bi2WO6-C/S-2在五次循环反应内表现出良好的光催化稳定性,在第五次循环反应结束后,苯甲醇的转化率仍然能够达到86.0%,苯甲醛的选择性超过99.0%。(2)由于无机金属钨酸铋存在成本高、带隙调节受限和层状结构固定等问题,因而选择廉价、能带结构可调、合成工艺简单、无毒的有机半导体g-C3N4作为光催化材料。本章采用氢键自组装合成策略,通过三聚氰胺和三聚氰酸分子间形成氢键进行分子间自组装,得到具有氮空位的珊瑚状多孔g-C3N4光催化剂(CN coral-like-x,x为煅烧温度)。催化剂表征结果表明,光催化剂CN coral-like-T550具有多孔结构、高比表面积(123.7m~2·g-1)和氮空位。多孔结构能抑制光生电荷的重组,高比表面积在光催化反应过程中能够提高更多的活性位点和吸附更多的反应底物,氮空位能够作为电子捕获中心,促进光生电荷的分离和转移,这些特性可以有效提高g-C3N4的光催化性能。在光催化苯甲醇选择性氧化实验中,CN coral-like-x比传统的g-C3N4表现出更好的催化效率,尤其是CN coral-like-T550,在模拟太阳光照射12 h后,苯甲醇的转化率达到91.6%,是未改性块状g-C3N4(29.1%)的3.2倍,是片层g-C3N4(35.4%)的2.6倍,苯甲醛的选择性>96.0%。另外,CN coral-like-T550的光催化稳定性良好,在循环利用5次后,苯甲醇的转化率仍然>90.0%,苯甲醛选择性>96.0%。(3)通过简单的水热法将钼酸铵、尿嘧啶和三聚氰胺经氢键螯合形成以Mo(VI)为中心的螯合物前驱体,设计了过渡金属Mo掺杂层状多孔g-C3N4光催化剂(CN-Mo-x)。利用Mo(VI)的空轨道作为电子受体,捕获光生电子。结果表明,Mo的掺杂扩大光吸收范围,缩短带隙,促进光生电荷的分离和迁移。在光催化苯甲醇选择性氧化实验中,光催化剂CN-Mo-2对苯甲醇表现出良好的催化活性,在模拟太阳光照12 h后,苯甲醇的转化率达到58.9%,是块状g-C3N4(28.7%)的2.1倍,是未掺杂Mo的片层g-C3N4(35.4%)的1.7倍,苯甲醛的选择性达到99.0%。(4)为了进一步提高多孔g-C3N4对芳香醇的光催化活性,利用稀土金属铈中Ce3+/Ce4+混合价态之间的相互转化,设计了二氧化铈纳米粒子(Ce O2-NPs)掺杂多孔g-C3N4光催化剂(Ce-PCN-x)。经XPS分析表明,Ce O2-NPs中Ce的化学价为Ce3+和Ce4+。在光催化反应过程中,Ce3+/Ce4+通过捕获电子进行相互转化,促进光生电荷的分离和转移。另外,光催化剂Ce-PCN-30的高比表面积(145.7 m~2·g-1)为反应提供更多的活性位点,促进底物的吸附。以苯甲醇选择性氧化反应为探针反应,在模拟太阳光照8 h后,Ce-PCN-30催化苯甲醇的转化率就达到74.9%,是多孔g-C3N4的1.3倍,在光照12 h后,苯甲醇的转化率达到93.2%,产物苯甲醛的选择性超过98.0%。(5)通过共聚的方式成功地将苯基掺杂到g-C3N4的基本结构单元七嗪环上,从化学组成上实现了对多孔g-C3N4的改性,制备得到苯基掺杂多孔g-C3N4光催化剂(CN-Px)。研究结果表明,苯基的掺杂增强了对可见光的吸收,促进光生电荷的分离和转移。光催化剂CN-P0.3对苯甲醇表现出优秀的光催化活性,在模拟太阳光照8 h后,苯甲醇的转化率达到94.5%,是单一多孔g-C3N4(44.3%)的2.1倍,苯甲醛的选择性超过99.0%。此外,CN-P0.3的催化稳定性高,循环使用5次后,光催化效率几乎未发生变化。
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