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《苏州科技大学》 2017年
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多孔氧化锰/氧化硅复合材料的仿生合成及应用

崔如玉  
【摘要】:通过吸附或催化降解来去除水体中有机污染物是常用的方法。在众多的吸附材料中,多孔氧化硅因具有大比表面积、高孔体积、廉价无毒、易回收再利用等特点而被广泛应用于吸附去除有机染料。同时,在多氧化硅中引入过渡金属等催化活性物种,可以进一步提高材料对有机污染物的去除效率、避免二次污染。因此,本论文以自然界中可循环再生的植物如山茶花花瓣和包菜菜叶为模板,通过仿生复制的方式来设计构筑多孔氧化硅、氧化锰和氧化硅/氧化锰复合材料,研究仿生法制备无机多孔材料的机理,考察所得材料在去除水体中有机污染物的性能,并比较单组分氧化硅、氧化锰和双组分复合材料的吸附/催化性能差异。论文首先以山茶花花瓣为模板、通过对山茶花细胞结构的精细复制,成功获得了具有二维结构的多孔氧化硅材料(HSx),考察了合成时硅源浓度对样品的微观形貌、片层厚度、孔道结构及其吸附有机染料亚甲基蓝(MB)效果的影响。研究发现最佳硅源浓度为0.05 mol·L~(-1)时,所得HS005材料片层厚度为2.7nm,孔径大小为4-9nm,对MB的饱和吸附量为74 mg·g~(-1)。由于山茶花花期为3~5月,之后便以更加普遍的包菜菜叶为模板来合成材料。随后,以包菜菜叶为模板制备出具有片状分级多孔结构的氧化硅材料(BSx)。同样,合成时硅源浓度对样品形貌和孔道结构有较大的影响,从而最终影响材料对染料的吸附效果。与以花瓣为模板时相同,以包菜菜叶为模板来构筑氧化硅时,最佳硅源浓度为0.05 mol·L~(-1),所得材料对MB饱和吸附量为76 mg·g~(-1)。在成功制备出多孔氧化硅吸附材料之后,我们将仿生方法拓宽到具有催化活性的氧化锰材料,以包菜菜叶为模板合成了纳米片层结构氧化锰材料(BMx),并通过调节合成时锰源浓度控制产物形貌、微观结构以及锰氧化物的组分,探究不同样品催化降解MB的差异。锰源浓度为0.05 mol·L~(-1)时可以完好复制包菜细胞结构,所得BM005中锰氧化物晶粒大小为32nm左右,具有最佳催化降解MB效果。同时发现,在该类芬顿催化反应过程中,双氧水的用量对材料的活性有着较大的影响。最后,以包菜菜叶为模板制备出多孔氧化锰/氧化硅复合材料,通过调节合成时锰源浓度和锰硅比,控制产物的复制效果和微观形貌。分别考查了样品的吸附和催化降解有机染料性能,并与前面制备的单一组分材料进行比较,得到乙酸锰浓度为0.05 mol·L~(-1),锰硅比为1:2时,所得样品对MB的去除效果最好(86%),且性能优于单一组分的材料,同时具有良好的吸附和催化性能。
【关键词】:生物模板法 多孔氧化硅 锰氧化物 复合材料 吸附/催化 有机染料
【学位授予单位】:苏州科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB332
【目录】:
  • 摘要6-7
  • Abstract7-12
  • 第一章 绪论12-23
  • 1.1 染料废水处理方法12-14
  • 1.1.1 化学法12-13
  • 1.1.2 物理法13-14
  • 1.1.3 生物法14
  • 1.2 芬顿与类芬顿催化14-18
  • 1.2.1 芬顿反应的发展与优点15-16
  • 1.2.2 芬顿体系反应机理16-17
  • 1.2.3 芬顿氧化类别17
  • 1.2.4 类芬顿试剂17-18
  • 1.3 介孔氧化硅材料18-19
  • 1.4 氧化锰材料19-20
  • 1.5 生物模板法20-22
  • 1.5.1 生物模板法的分类21
  • 1.5.2 植物作为模板制备纳米氧化物的优点21-22
  • 1.6 本课题的研究目的及意义22-23
  • 第二章 实验部分23-29
  • 2.1 试剂药品与实验仪器23-24
  • 2.2 表征仪器及测试方法24-25
  • 2.2.1 X射线衍射(XRD)24
  • 2.2.2 热重分析(TG-DSC)24
  • 2.2.3 原子力显微镜(AFM)24
  • 2.2.4 红外光谱(FT-IR)24
  • 2.2.5 氮气吸脱附测试24-25
  • 2.2.6 荧光显微镜25
  • 2.2.7 扫描电子显微镜(SEM)25
  • 2.2.8 透射电子显微镜(TEM)25
  • 2.2.9 ZETA电位测试25
  • 2.3 吸附和催化氧化降解测试25-29
  • 2.3.1 实验溶液的配置25-26
  • 2.3.2 对亚甲基蓝吸附性能测试26-27
  • 2.3.3 催化降解亚甲基蓝实验27-29
  • 第三章 山茶花花瓣为模板制备二维多孔纳米氧化硅29-42
  • 3.1 引言29
  • 3.2 材料的合成29-30
  • 3.3 结果与讨论30-41
  • 3.3.1 HSx样品的合成与表征30-36
  • 3.3.2 HSx材料的吸附性能测试36-41
  • 3.4 本章小结41-42
  • 第四章 包菜菜叶为模板制备片状多孔纳米氧化硅42-50
  • 4.1 引言42
  • 4.2 材料合成42-43
  • 4.3 结果与讨论43-49
  • 4.3.1 热重分析确定煅烧温度43
  • 4.3.2 BSx样品的红外谱图分析43-44
  • 4.3.3 包菜为模板所得氧化硅材料的结构和形貌分析44-47
  • 4.3.4 BSx材料的吸附性能测试47-49
  • 4.4 本章小结49-50
  • 第五章 包菜菜叶为模板制备片状多孔纳米锰氧化物50-58
  • 5.1 引言50
  • 5.2 材料合成50-51
  • 5.3 结果与讨论51-57
  • 5.3.1 BM005的合成与表征51-52
  • 5.3.2 BMx系列样品的表征52-56
  • 5.3.3 BMx系列样品的催化降解亚甲基蓝性能测试56-57
  • 5.4 本章小结57-58
  • 第六章 包菜菜叶为模板制备多孔纳米氧化锰/氧化硅复合材料58-67
  • 6.1 引言58
  • 6.2 材料合成58-59
  • 6.3 结果与讨论59-66
  • 6.3.1 BMS005的合成与表征59-60
  • 6.3.2 BMSx系列样品的表征60-64
  • 6.3.3 BMSx系列样品对亚甲基蓝的吸附等温线实验64-65
  • 6.3.4 BMSx系列样品催化降解亚甲基蓝测试65-66
  • 6.4 本章小结66-67
  • 第七章 总结67-68
  • 参考文献68-74
  • 图表目录74-77
  • 致谢77-78
  • 作者简历78

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