碳纳米管负载铁酞菁的制备及其催化性能的研究

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环境水污染中酚类化合物是一种来源广泛,难以降解,对自然环境有着巨大危害的有机污染废水,是国内外要求被严重控制的有机污染物之一。对传统的高级氧化技术,催化体系常常含有H2O2利用率低、对难降解的有机污染物催化活性差、催化剂难以重复使用等问题。因此开发一种高效绿色的去除废水中有毒目标污染物的催化体系具有重要意义。金属酞菁类化合物与细胞色素P-450的活性中心金属卟啉结构相似,具有类似于生物酶的催化活性和选择性,其催化过程是通过中心金属离子与反应物发生配位进行的。碳纳米管具有独特的物理性质和结构、优良的电化学性能、大的比表面积、较好的物理吸附能力以及在很多条件下均具有较高的稳定性,决定了其可以作为非均相催化剂的理想载体材料。因此,可以将具有模拟酶催化剂的金属酞菁负载到改性的碳纳米管上,研究催化体系的催化性能,探索负载型催化剂的改善方法。本文利用两种不同的配体(4-氨基吡啶(Py)和巯基乙胺(CS))改性碳纳米管,分别使用脱氨基法和酰胺化方法改性碳纳米管得到MWCNTs-Py和MWCNTs-CS,再通过轴向配位的思想制备合成两种碳纳米管轴向负载金属酞菁催化剂(FePc-Py-MWCNTs, FePc-CS-MWCNTs)。采用UV-vis、XPS、FTIR等方法对催化剂进行表征结果表明FePc成功地通过轴向配位的方式负载到碳纳米管上。选用对氯苯酚(4-CP)作为目标污染物,H2O2为氧化剂,研究催化剂的催化氧化能力。实验结果表明:FePc-Py-MWCNTs/H2O2体系在酸性条件下相对于FePc/MWCNTs/H2O2体系具有较高的活性,说明配体的引入可以极大地改善催化体系的活性;FePc-CS-MWCNTs/H2O2体系相较与FePc-Py-MWCNTs/H2O2体系,无论是酸性条件还是中性条件都具有很好的催化活性,且催化剂的循环使用性要高得多。EPR测试两个催化体系都有羟基自由基(·OH)和过氧自由基(·OOH)的存在,表明二者反应都是一个羟基自由基为主导的反应,这与传统的含有配体存在的催化体系由高价金属主导的反应不同。在本论文的催化体系中,由于轴向配体对中心金属Fe的供电子效应使得FeⅢ/Ⅱ的氧化电位更低,加快了在传统Fenton反应体系中FeⅢ向FeⅡ的转化过程。本论文的研究提供了一种通过轴向配位的方法制备合成负载型催化剂,为催化剂的改善和催化体系的优化设计奠定了一定的基础。
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