硼、铁掺杂氮化碳材料的制备及其催化RhB氧化及CO2环加成性能的研究

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本论文研究了硼、铁掺杂对氮化碳(CN)催化水污染中有机染料氧化降解和CO2环加成反应的催化性能,以及载体对其反应性能的影响,并对氮化碳-碳复合材料催化CO2环加成反应的性能进行了初步探索。以不同CN前驱体为原料,如:二氰二胺、三聚氰胺、盐酸胍和尿素,制备了掺Fe氮化碳(Fe-CN),并研究了其对H2O2氧化有机染料罗丹明B(RhB)的催化消除活性。发现由于前驱体性质的不同,Fe-CN表现出不同的结构组成和化学稳定性,从而展示出不同的催化性能。在催化Rh B氧化消除反应中,以二氰二胺为前驱体制备的Fe-CN催化剂表现出最好的催化活性。此时Fe物种为催化反应的活性位并高分散在催化剂表面。而以尿素为前驱体制备的Fe-CN催化剂主要为Fe2O3相并且粒度较大,因而活性较低。为进一步体现Fe-CN的催化性能,我们随后将其负载在高比表面的介孔硅SBA-15上,通过控制Fe-CN负载量,及Fe的掺杂量来分析其对RhB氧化消除性能的研究。此外,作为对比,我们还研究了不同载体(如:MCM-41、KIT-5)对Fe-CN催化RhB氧化消除性能的影响。测试结果表明,以SBA-15为载体,Fe掺杂量为20%,Fe-CN负载量为72%时(72%Fe2-CN/SBA-15),催化剂具有较好的活性,转化率为81.6%。对于CO2环加成反应,B的掺杂能大大提高氮化碳的催化反应活性。特别是将BrCN进一步负载于高比表面的SBA-15上时,在无溶剂条件下,所得到的BrCN/SBA-15催化剂可高效地催化CO2和氧化苯乙烯环加成生成苯基乙二醇碳酸酯反应,转化率和选择性都高达95%以上。同时,该催化剂具有较好的寿命,循环使用5次催化活性基本不变。TPD表征结果表明:B的掺入同时提高了氮化碳表面作为反应活性位的酸碱位,其中的酸性位用于氧化苯乙烯的活化,碱性位用于CO2的活化。因而该催化剂具有较好的活性。最后,我们还初步探索了SBA-15负载CN-C-CN催化剂,在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂条件下,催化CO2和氧化苯乙烯环加成生成苯乙烯环状碳酸酯的反应。其中,高比表面的碳材料作为骨架用于双面负载氮化碳,以保证氮化碳的孔结构不坍塌并更好地暴露在表面。结果表明,在0.5 mL氧化苯乙烯、5 mL DMF、130℃、3兆帕、0.0525 g联苯和0.1 g催化剂的条件下,氧化苯乙烯的转化率为75%,说明该类催化剂即使在没有B掺杂的情况下也能显示出较好的催化活性。
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