“精准”是近年来医疗领域里提出的新概念,同样也影响着吸附和催化研究。本论文研究主要集中在筛选、设计和合成功能化多孔新材料使其能够精准吸附并催化烟草特有亚硝胺(TSNA)中毒性最强的4-(N-亚硝基甲基氮)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮(NNK)。我们发现H型和Na型ZSM-5沸石、ZnO改性活性炭、石墨烯基碳材料以及聚苯胺修饰的介孔氧化硅都可选择性地吸附NNK,并通过原位红外、热重-质谱联用等技术以及理论计算模拟深入探究了选择性吸附的原因以及沸石的催化性质;还以ZnC12为模板剂简易合成了高活性的多孔光催化剂g-C:3N4。主要研究内容如下:1.将“精准吸附-捕获”概念用于控制环境里TSNA致癌物的研究。使用LC-MS/MS技术系统研究了常用沸石包括A型、Y型和ZSM-5沸石对烟丝萃取液中的TSNA或水溶液里NNK和N-亚硝基去甲基烟碱(NNN)的液相吸附。在烟丝萃取液中,CaA沸石对TSNA的吸附效率最高而NaZSM-5沸石对NNK的选择性最高。在水溶液中,NaZSM-5沸石能够精准识别溶液中NNK和NNN结构的微细差异,将构型细长的NNK全部吸附而不受体积略大的NNN的干扰。这是沸石超精细筛分效应精准捕获TSNA的第一例报道。此外,NaZSM-5沸石在较低温度下就可将吸附的TSNA催化降解为毒性较弱的化合物,杜绝生成挥发性亚硝胺产物而保护环境。质子酸位和优化的硅铝比促使HZSM-5沸石在水溶液中的吸附能力高于NaZSM-5沸石;在烟丝萃取液中它依然能选择性吸附NNK。喷涂在卷烟烟丝上的HZSM-5沸石对主流烟气中TSNA的去除效果(18ng/mg-zeol)不如“源头去除”的液相吸附(36ng/mg-zeol),为烟草降害研究采用何种策略提供了很有价值的线索。FTIR和TG/MS技术对于HZSM-5沸石上TSNA的吸附模式和降解过程的探究表明,NNK分子除了 N-NO基团与阳离子间的静电作用外,其吡啶基团上N原子还会受到质子的吸引,导致NNK分子N-NO基团中N-N键的断裂(423 K-573 K)以及吡啶-羰基间的C-C键的断裂(630 K),实现了较低温度下TSNA的降解。2.活性炭(AC)的高比表面和疏水性使其在液相吸附TSNA过程中具有优势。为了赋予它类似沸石的选择性吸附能力,采用酸浸渍、离子交换法和湿浸渍结合程序升温碳化法对AC进行改性,其中ZnO精细修饰的AC(5ZnAC)不仅能去除工业烟丝萃取液中50%以上的TSNA,而且表现出对细长的NNK的优先吸附,产生了类似沸石的精细几何限域效应。这说明在无序粗孔结构材料中构筑选择性吸附位是可行的。TSNA的回收研究中,5ZnAC吸附的TSNA可以被二氯甲烷洗脱,其中NNK最难被洗脱。洗脱液经过NaZSM-5沸石再次吸附富集,能分离-纯化出TSNA的不同组分。这些研究提供了控制TSNA危害和化废为宝再利用的新途径。石墨烯材料上发现了 一种新的形状选择性。石墨烯和碳纳米管缺乏精细几何限域效应,但是它们在水中或是烟丝萃取液中都表现出对NNK的优先吸附。它们还能选择性地吸附大体积的酸性红88而不是较小的甲基橙。由红外光谱结果和理论计算可知,这种异常的选择性源自于吸附过程中的电子相互作用如π-π相互作用。石墨烯在烟丝萃取液中表现出比ZSM-5沸石更高的吸附容量和吸附速率,因为这种新的选择性不受扩散和传质阻力的影响。这为我们控制环境中的致癌物例如TSNA的污染提供了 一种新途径。3.通过原位和后修饰方法仔细控制聚苯胺(PANI)在介孔氧化硅分子筛SBA-15上的生长位置。考察苯胺的添加顺序、苯胺与有机硅源的比例以及模板剂存在对PANI分布的影响,确定最佳组成配比和合成程序。使用TEM、N2吸附-脱附实验(BET)以及zeta电势等技术方法确定PANI的位置。硅源加入前、先加入适量苯胺可使PANI生长在分子筛孔道内;如果后加苯胺,PANI将生长在SBA-15的外表面;将苯胺加入到去除模板剂后SBA-15的悬浊液中,PANI主要分布在孔口附近。得到的复合物对TSNA和烟碱表现出不同的选择性,并且1P-S15样品对TSNA样品的去除率最高(23.2%),也能优先吸附NNK,红外光谱和理论计算的结果表明,这种选择性是由于氢键相互作用产生的。4.ZnCl2作为多功能修饰剂与双氰胺通过热缩聚合成多孔g-C3N4。ZnCl2不仅是造孔剂,还是甲基橙(MO)的助吸附剂。调整ZnC12的添加量结合适当的酸洗浓度、可控制残留Zn物种在g-C3N4上的分布。使用多种手段如XRD、SEM、BET、紫外可见光谱、XPS等考察残留Zn物种对于合成产物的物理和光电性质的影响,确定制备的最佳条件。得到的样品(CNZ-3(0.05))比表面比普通的g-C3N4提高了 170%,可见光催化MO的活性提高了240%。