基于碳点的无机矿物材料合成及其对水体污染物的去除性能研究

来源 :安徽工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhumuray
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众所周知,材料的性能由材料的结构和形貌直接决定,因此调控具有特殊形貌、晶型和大小的微纳米材料成为现代材料科学研究的热点。碳点(CDs)是直径小于10 nm的离散的准圆形状的碳纳米材料,表面具有丰富的含氧基团,类似于生物分子或聚合物。由于亲水性官能团如羟基、羰基和羧酸盐的存在,CDs具有高度的水溶性。近年来,因良好的光致发光性能、光稳定性、生物低毒性以及表面丰富的亲水性官能团,使水溶性CDs对化学物质和金属离子的吸附具有高度的选择性,在医药、生物、分析化学等领域具有广阔的应用前景。本论文制备了不同来源的CDs作为水溶性调控剂,合成了不同形貌的碳点/无机矿物材料和其他含CDs复合材料。其中,将调控合成的碳点/碳酸锰复合物作为前躯体,通过煅烧去除CDs,制备具有多孔结构的锰氧化物。进而探讨碳点/碳酸钡复合物、多孔锰氧化物和含CDs复合材料在水体净化中的应用。其主要研究成果如下:(1)利用柠檬酸加热碳化反应得到的CDs为调控剂,制备出花生状、孪晶状和球形等多种形貌的碳酸钙(Ca CO3)颗粒,探讨了CDs浓度和制备温度对Ca CO3形貌的影响。结果表明,不同的热处理温度下,可以得到不同化学结构的CDs。化学结构发生变化的CDs是其形貌差异的主要原因。合成的CDs成功的调控了Ca CO3的形貌。此外,对孪晶状Ca CO3粒子的形成机理进行了详细的研究,提出了Ostwald熟化和定向聚集生长机制。(2)采用一步水热法,以3种生物质前驱体M(M=E:鸡蛋壳膜,C:棉花,A:苹果汁)制得的水溶性M-CDs为调控剂,均制备出枝状纳米结构碳点/碳酸钡复合物(M-CDs/Ba CO3),探讨了基于不同生物质前体的CDs对Ba CO3形貌的影响,并将制得的E-CDs/Ba CO3枝状复合物作为吸附材料探讨该复合物对废水中染料刚果红(CR)的去除性能。结果表明,CDs对Ba CO3形貌产生明显调控作用,合成了分散性良好的枝状复合物,不同生物质来源的CDs表面极性基团的差异对Ba CO3形貌无明显影响。但制备的E-CDs/Ba CO3复合物可以有效的去除废水中的CR,且最大吸附量可达253.8 mg·g-1。用伪一阶反应和二阶反应研究了动力学机理,利用Langmuir和Freundlich等温线模型对吸附等温线数据进行了分析。研究发现,CR在E-CDs/Ba CO3复合物上的吸附动力学符合伪二级动力学模型,等温吸附参数适合用Langmuir等温线模型描述,且温度的升高可加快吸附反应的进行。(3)以柠檬酸为碳源制备的CDs为形貌调控媒介,采用简单、绿色的水热法合成了球形纳米结构碳点/碳酸锰复合物(CDs/Mn CO3),探讨了CDs浓度和热处理温度对CDs/Mn CO3形貌影响。研究表明,CDs对Mn CO3形貌具有明显调控作用,球形CDs/Mn CO3复合物的最佳热处理温度为180 oC。此外,我们还以制备的CDs/Mn CO3复合物为前驱体,在600oC条件下煅烧3 h,得到较高比表面的多孔锰氧化物,探究其作为吸附剂对水体中CR的去除效果。结果表明,煅烧后的多孔锰氧化物较于煅烧前CDs/Mn CO3复合物对CR展现出更好的吸附性能,最大饱和吸附量(qmax)可达36.25 mg·g-1。这可能是因为,煅烧后的多孔锰氧化物具有更大的比表面积,更有利于染料的吸附。此外,该吸附过程为自发吸热反应,用伪二级动力学模型和Langmuir等温线模型的单层吸附描述CR在CDs/Mn CO3复合物上的吸附最为合适。且吸附受温度的影响,在实验温度范围内,升温可加速吸附行为的进行。(4)以鸡蛋壳膜衍生的CDs作为还原剂,首先,通过水热法合成E-CDs/Fe3O4复合物,然后将合成的复合物与硝酸银(Ag NO3)溶液混匀,成功的原位合成了E-CDs/Fe3O4/Ag复合材料(ECIA)。将合成的荧光ECIA复合材料作为催化剂,研究其在水体中对有机污染物对硝基苯酚(4-NP)的催化降解。制备的ECIA复合材料通过XRD、FT-IR和PL等手段进行表征分析。研究表明,在具有良好还原性能的E-CDs的存在下,硝酸银中的银离子被成功地原位还原为银纳米粒子,并负载到复合物E-CDs/Fe3O4的表面,得到ECIA复合物。此外,制备的ECIA复合材料对水体中4-NP的还原降解具有良好的催化效果,可在8 min内完全降解4-NP。实验还探究了不同催化剂,Ag NO3含量,ECIA加入量和4-NP的初始浓度对催化效果的影响。结果表明,Ag NO3含量为2 mg,ECIA加入量为20 mg以及4-NP的初始浓度为1 m M时,催化剂ECIA对水体中4-NP的还原降解具有最好催化效果,且降解速率达到最快。
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