多金属氧酸盐基有机--无机杂化材料的制备及光降解亚甲基蓝性能的研究

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亚甲基蓝(MB)具有较强的生物毒性,甚至会引发癌症等疾病。随着工业进程的发展,仅仅通过生物降解途径不足以解决因MB废水排放而引发的环境污染问题,因而研发更加高效的染料废水处理技术非常重要。光催化技术是近几十年发展起来的绿色环保、经济高效的污染物处理技术之一,已经被广泛应用于染料降解、空气净化、制备氢气和氧气以及还原二氧化碳等领域中,而在此技术中最关键的是制备高效光催化剂。多金属氧酸盐一直以来都被认为是一种性能良好的光催化剂,已经被应用于污染物处理领域中,其中磷钨酸(H3PW12O40,POM)由于独特的电子性质和稳定性而受到广泛关注。但是POM自身存在能带较宽等问题,不能吸收可见光,因此将POM与有机物相结合制备成杂化材料以提高其光催化效能引起了研究者的关注。基于此,本论文制备了POM基有机-无机杂化材料并用于降解MB。具体内容包含以下三个部分:
  第一章概述了相关的背景知识,并介绍了近年来多金属氧酸盐基有机-无机杂化材料及利用光催化技术降解染料分子在国内外的研究现状,在此基础上提出了本论文的选题思路。
  第二章将POM与羧基功能化表面活性离子液体N-十二烷基-N-羧甲基咪唑溴([N-C12,N-COOH-Im]Br,本文用IL(C12)代替)相结合,通过离子自组装方法制备了有机-无机杂化材料(POM-IL(C12))。采用TEM和SEM技术手段观察到随着时间的延长,生成的杂化材料形貌由纳米颗粒演变逐渐为纳米纤维。机理探究结果表明引起这种形貌演变的主要驱动力是氢键与疏水相互作用。我们采用活性自组装的方法同样也得到了纳米纤维,发现这种组装策略可以显著降低形貌演变过程中的能垒,将形成纳米纤维的时间从7天降低至24小时。另外,我们还研究了POM-IL(C12)杂化材料在太阳光下对MB的光降解效果。
  第三章采用自下而上的层级自组装策略制备了具有优异电荷转移性能的有机-无机杂化纳米纤维。首先,POM和IL(C12)被用来构建POM-IL(C12)纳米颗粒。然后,通过快速溶液分散方法(Rapid solution dispersion method)将具有强吸收可见光能力的苝酰亚胺(PDI)分子和POM-IL(C12)超分子进行组装形成了PDI/POM-IL(C12)纳米纤维。分别采用TEM、SEM和SAXS、XRD等技术表征了材料的形貌和结构,EDS结果表明PDI与POM-IL(C12)被成功地组装到了一起。荧光光谱、荧光寿命及量子产率等实验结果都表明该材料具有较强的电荷转移性能;并且DRS光谱表明相比于单一组分,PDI/POM-IL(C12)杂化材料的吸收带边更宽,有助于降低带隙能。最后用MB评价了该材料对MB的的光降解性能,并且利用高斯计算的方法推测了可能的光降解机理。本章制备的PDI/POM-IL(C12)杂化材料在染料废水处理领域具有良好的应用前景。
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