多级孔ZIF-8材料的合成及光催化性能研究

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沸石咪唑骨架材料(ZIFs)是一种具有沸石拓扑结构的新型金属有机骨架材料(MOFs),该材料结合了MOFs材料与沸石材料的优势,在拥有高比表面积与结构功能可调性的同时又具有有高化学稳定性与热稳定性,因此成为了一种极具研究潜力的新型多孔材料。ZIFs系列材料中,ZIF-8材料是以金属锌盐与二甲基咪唑组成的一种ZIFs材料,Zn2+的存在使材料具备良好的光催化降解能力。目前ZIF-8材料存在因孔径过小所引起的大分子吸附与催化方面应用限制问题,为克服此类问题,提高ZIF-8材料的应用性能,本课题利用模板剂法分别以CTAB与P123作为软模板剂,介孔二氧化硅材料作为硬模板剂结合胶体化学法合成多级孔ZIF-8材料。本课题分别通过X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附实验、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TG-DTG)的表征手段,研究并分析了多级孔ZIF-8材料的孔道结构、晶体形貌与热稳定性,得出模板剂法合成多级孔ZIF-8材料的最佳合成方式。在多级孔ZIF-8材料对亚甲基蓝与罗丹明B的光催化降解实验中通过改变不同反应条件并结合光催化动力学模型讨论并分析多级孔ZIF-8材料光催化降解亚甲基蓝与罗丹明B的最优条件。主要研究内容如下:(1)利用胶体化学合成法合成ZIF-8材料,实验结果表明胶体化学法在合成ZIF-8材料具有可行性;合成ZIF-8材料的总孔容与介孔孔容分别为0.42cm3g-1、0.00cm3g-1,孔径为1.65nm,表明材料为微孔结构材料;比表面积为927m2g-1,晶体形貌为大块晶体结构,耐热温度为600K左右。(2)分别使用CTAB与P123为软模板剂,以软模板法制备多级孔ZIF-8材料。结果表明:CTAB与P123作为模板剂合成的多级孔ZIF-8材料均能保持ZIF-8材料本身的晶体结构;两种多级孔ZIF-8材料的总孔容(CTAB为0.51cm3g-1,P123为0.62cm3g-1)与介孔孔容(CTAB为0.13cm3g-1,P123为0.23cm3g-1)相较于ZIF-8材料均有提高,且孔径为介孔(CTAB为2.34nm,P123为2.41nm)。(3)通过软模板法合成的多级孔ZIF-8材料均为由小颗粒物质团聚后形成的层状结构。CTAB为模板剂虽然在一定程度上可以合成多级孔ZIF-8材料,但比表面积和耐热温度较低,分别为750m2g-1和500K。P123为模板剂,多级孔ZIF-8材料的颗粒更小,形状更加规则。比表面积为1053m2g-1,耐热温度与ZIF-8材料相似,为600K,基本保持了ZIF-8材料的热稳定性。结合(2)中内容表明在软模板法合成多级孔ZIF-8材料中,相比与CTAB,P123更适合作为模板剂。(4)以P123合成多级孔ZIF8材料,通过不同的反应条件确定合成多级孔ZIF-8材料的最优条件。结果表明:当锌盐与P123的质量比为1/0.3,锌盐与二甲基咪唑的摩尔比为1/8,合成时间在12h时合成的多级孔ZIF-8材料晶体大小最为均匀且形貌最为均一,比表面积与孔容最大,分别为1053m3g-1与0.62cm3g-1。(5)以合成的介孔二氧化硅为硬模板剂,以硬模板法制备多级孔ZIF-8材料。实验结果表明:合成的多级孔ZIF-8材料可以保持ZIF-8材料原有的结构框架;总孔容(0.53cm3g-1)与介孔孔容(0.18cm3g-1)均比ZIF-8材料有所提高,且孔径为介孔(2.35nm);在形貌方面,硬模板法合成的多级孔ZIF-8材料为形貌统一的六边体小颗粒堆砌而成,具有层状结构。与软模板法相比,硬模板法合成的多级孔ZIF-8材料具有晶体颗粒较小,形貌更为均一的特点,但比表面积仅能保持与ZIF-8材料基本相似(为903m2g-1),总孔容与介孔孔容也与软模板法相比较小。(6)在结合多级孔ZIF-8材料的制备与表征实验后,采用以P123为模板剂制备的多级孔ZIF-8材料进行光催化降解亚甲基蓝与罗丹明B模拟废水的实验。实验结果表明:合成的多级孔ZIF-8材料对于大分子有机染料污染物亚甲基蓝与罗丹B的降解均显示出良好的性能。在pH=5、投加量为50mg时,多级孔ZIF-8材料对亚甲基蓝的去除率为98%,对罗丹明B的去除率为99%;通过一级动力学与0级动力学相关系数的对比发现,在不同反应条件下多级孔ZIF-8材料光催化降解亚甲基蓝与罗丹明B符合光催化一级动力学模型;在再生模拟循环实验进行5次后,合成的多级孔ZIF-8材料对于亚甲基蓝与罗丹明B的降解率均达到80%以上,说明材料具有良好的重复利用性能。图56幅,表20个,参考文献155篇
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