课程文献中心 更多>>

关键词： 有序多孔结构   染料敏化太阳能电池   光阳极   对电极   光调控  

摘要： 有序多孔结构展现出孔隙率高、光子带隙等特性,在催化、超级电容器、太阳能电池等领域有广泛应用前景。尤其在染料敏化太阳能电池应用中,充分利用有序多孔结构特性提升电池器件光伏性能。本文首先概述有序多孔结构的制备方法,其次阐述染料敏化太阳能电池工作机理,总结有序多孔结构应用现状,最后对有序多孔结构在太阳能电池中应用前景进行展望。

关键词： 聚苯硫醚   热致相分离   纳米复合膜   结构表征   染料截留性能  

摘要： 聚苯硫醚（polyphenylene sulfide,PPS）是一种高性价比的特种工程塑料,然而由于其韧性差、加工温度高等缺点,导致其在应用开发方面受限。针对上述问题,本文分别以氧化石墨烯（graphene oxide,GO）、凹凸棒土（attapulgite,ATP）为原料对PPS进行改性,然后以PPS为基材通过热致相变（thermally induced phase separation,TIPS）方法制备PPS基纳米复合膜,对其微观结构进行表征,研究其对染料的截留性能。主要研究内容如下: （1）以GO为原料,采用引发剂持续再生催化剂原子转移自由基聚合法制备GO-PS,对其工艺条件进行优化,并对其结构进行表征。结果表明,GO-PS具有较强的疏水性。然后以GO-PS为助剂、PPS为基体通过热塑加工制备PPS/GO-PS纳米复合材料,对其结构与性能进行了研究。结果表明,PPS/GO-PS纳米复合材料的力学性能明显提高。DSC分析显示,GO-PS提高了PPS的结晶性能。在此基础上,以PPS为基料、1-氯萘和邻苯二甲酸二丁酯（DBP）为混合稀释剂、GO-PS为添加剂通过TIPS法制备PPS/GO-PS纳米复合膜,并通过表面接触角及孔隙率确定GO-PS最佳添加比为0.5 wt%。通过Fluent模拟研究了PPS/GO-PS纳米复合膜的流体透过性过程机理。结果表明GO-PS的添加改变了PPS膜内部微观结构,从而使膜与正丁醇溶液能充分接触。对甲基橙/正丁醇染料的过滤性能表明,当甲基橙浓度为10 mg/L时,膜的染料截留率可达99.08%。 （2）以ATP为原料、苯乙烯为单体,通过Pickering乳液聚合法制备了ATP-PS。结构表征及测试表明ATP-PS具有疏水性。然后以ATP-PS为添加剂,制备了PPS疏水多孔膜。研究表明,ATP-PS的用量为0.8 wt%时,PPS膜具有较强的有机溶剂亲和性,且通过Fluent模拟研究显示适量ATP-PS的添加有助于改变其膜内结构,从而增加正丁醇的膜内停留时间。DSC分析表明,ATP-PS提高了PPS基膜的熔融温度和结晶温度,从而使PPS在成膜过程中在更高温度完成相变。在此基础上制备了具有ATP-PS选择层的PPS/ATP-PS/TA纳米复合膜,其透过性能测试表明正丁醇通量为61.2913 L·m-2·h-1·bar-1。染料截留性能测试表明,PPS/ATP-PS/TA纳米复合膜对MB/正丁醇染料溶液的染料截留率最高可达到99.08%。 （3）以ATP为原料通过高温煅烧、酸洗、离子交换及高温晶化等工艺制备了类分子筛ATPM。结构表征分析表明ATPM具有多孔片状结构,其比表面积大。采用过氧乙酸对PPS基膜表面刻蚀,制得表面具有活性砜基基团的亲水PPS基膜（PPS-S）。然后以TA为溶剂制备了具有ATPM选择层的PPS-S/ATPM/TA纳米复合膜。微观结构表征显示膜内部呈现多孔块状结构,膜内部的比表面积增大。Fluent模拟研究表明,PPS-S膜内部结构变为带贯通孔的块状微观结构,可有效增加水与PPS-S的接触面积,从而使膜内孔隙利用率提高。过滤性能研究表明PPS-S/ATPM/TA纳米复合膜的水通量可达67.4867 L·m-2·h-1·bar-1,其可有效过滤浓度为40 mg/L的罗丹明染料废水,且在连续3 h过滤10 mg/L罗丹明溶液时,其染料截留率仍能达到98.31%。

关键词： 蒽醌染料   溶解度   色谱深度   优化设计   分子动力学模拟  

摘要： 蒽醌型分散染料的溶解度和色谱深度两个指标变化趋势是相反的,在超临界CO2中,分散染料的溶解度随着染料的分子量变大而变小,而染料色谱深度的变化则相反。染料分子结构决定着溶解度和色谱深度的大小,色谱深的染料在超临界CO2中溶解度低的问题是染料分子结构优化设计过程中遇到的关键问题。本文为解决该问题提出了蒽醌型分散染料分子结构的优化设计方法,分别对蒽醌型染料的母体和官能团取代位置及数量进行优化设计,主要研究内容如下: 1.针对蒽醌型染料母体结构优化设计问题,通过Materials Studio分子动力学模拟分析看出母体分子结构形状对染料分子间相互作用存在影响;根据形状参数分子长度对分子间相互作用大小的影响,以蒽醌型染料溶解度为目标函数,以蒽醌型染料母体结构的链状对称性特征和最小分子长度为启发规则,实现蒽醌型染料母体最佳结构设计。 2.在已知蒽醌型染料母体最佳结构条件下,建立染料溶解度为目标函数,色谱深度函数为约束,羟基取代位置为优化变量的0-1规划模型。根据蒽醌型染料分子结构的几何特征,本文以分子对称性为一层启发规则,排除重复取代位置,减少可行路径,通过隐数法迭代计算出了在色谱深度不低于设定值条件下,内聚能减小最多的羟基最优取代位置。 3.针对蒽醌染料母体结构,取苯环数量相同的多种母体结构在Materials Studio分子动力学模拟平台上进行溶解度对比实验,确定母体结构最优设计的有效性;针对所设计的最优羟基取代方案代表的染料,在Materials Studio和Gaussian09上将其溶解度和色谱深度与实际相似结构染料进行对比,证明了官能团取代数量和取代位置最优化设计方法的有效性。

关键词： 染料敏化太阳能电池   对电极   多孔碳   孔结构调控   电化学动力学  

摘要： 随着社会经济的飞速发展,化石燃料的迅速消耗和环境问题日益严重,新能源研究已成为全球性的热点问题,因此,开发可再生能源是当务之急。太阳能的光伏技术作为最有前途的可再生能源技术之一,近年来发展迅猛。其中,由于染料敏化太阳能电池（DSSC）的低成本、低毒性和易于制造等优点而成为研究热点之一。对电极（CE）作为DSSC的重要组成部分,可以从外部电路收集电子并催化还原氧化电解质。传统的对电极材料一般选用贵金属铂（Pt）,但其价格昂贵且在碘系电解质中不稳定,因此寻找可替代Pt的低成本对电极材料成为目前的研究重点。本论文主要有以下工作:（1）采用富马酸为碳源,碳酸钠为造孔剂一步高温热解法成功制备了具有高度介孔结构的多孔碳材料（MPC）。通过调变热解温度和碳酸钠的含量,探究了不同制备条件对孔结构和I3-还原能力的影响。结果表明,800℃的热解温度下,富马酸和碳酸钠的比例为1:4时制备的MPC具有大比表面积(798.30 m2?g-1)、小的界面电荷转移电阻（1.85Ω?cm2）、快的界面反应动力学(D_n=2.95×10-7 cm2?s-1)以及优异的电化学稳定性。MPC作为对电极材料组装的DSSC显示出了7.76%的PCE,其中高度介孔结构为电子转移及离子传输提供了有利条件,加快了催化反应的进行,有效地减少了电荷复合的发生。（2）上述工作对电极碳材料的孔结构单一导致电池的光伏性能不佳,本工作采用氯乙酸钠为碳源一步快速高温热解法成功制备了具有分级孔结构的多孔碳（HPC）。首先通过热解不同氯碳原子比的原料,探究氯碳原子比对多孔碳的表面形貌、比表面积、孔径分布和组成的影响,其次通过调变氯乙酸钠的热解时间和热解温度,探究不同制备条件对催化I3-还原能力的影响机制。结果表明,1000℃下热解2 min时制备的HPC具有独特的分级孔结构、大的比表面积(1204.54 m2?g-1)、快的界面反应动力学(D_n=3.30×10-7 cm2?s-1)以及更多的催化活性位点使得HPC作为对电极组装的DSSC显示出了8.03%的PCE,明显高于上一个工作构建的MPC的7.76%,与Pt的8.06%相当。这是由于分级孔结构不仅可提供丰富的催化活性位点,而且有利于电池中电解液的存储和运输。

关键词： 活性染料   水解产物   染色   检测   毛细管电泳  

摘要： 在纺织工业中活性染料常用于棉织物的染色,在上染过程中活性染料会发生物理化学变化,使得整个上染的过程变得复杂且难以观测,进而出现染色重现性差等问题。另一方面,当在碱性条件下固色时,活性染料会发生水解反应,生成不可结合在纤维上的水解染料,这不止会导致染色成本大量增加,而且这些水解染料会随着染料废水排放到环境中,造成严重污染。因此,检测实际染色过程中活性染料及水解产物的含量,有利于更好了解活性染料上染过程及水解情况。本文以活性蓝19、活性黑5、活性红195三种不同结构的活性染料为目标物,制备了各自的乙烯砜型和完全水解型活性染料,并使用配备紫外检测器的毛细管电泳仪（Capillary electrophoresis,CE）开发了一种可同时分离并检测三种活性染料及其乙烯砜型和完全水解型活性染料浓度的分析方法。全文共分为五章:第一章首先介绍了毛细管电泳的基本概念、分离原理、分离模式及常用检测器;其次,介绍了染料的分类、活性染料在纺织工业的应用情况;随后,介绍了目前常用的活性染料的检测方法;最后,阐述了本课题的研究目的及意义。第二章开发了一种可以同时检测3种活性染料及其乙烯砜型和完全水解型活性染料的CE-UV方法。首先分别在弱碱和强碱条件下制备了3种活性染料各自的乙烯砜型活性染料和完全水解型活性染料,将这9种形式染料均作为本实验的目标物进行后续分析方法探究。其次初步探究了对目标物分离影响最大的添加剂种类,主要考察了有机溶剂及环糊精类添加剂。然后进一步系统的探究了背景电解质（Background electrolyte,BGE）的浓度及p H、添加剂的含量以及分离电压等分离分析条件,最终确定了最优BGE体系由20.0 mmol/L Na2B4O7·10H2O作背景电解质,20.0 mmol/Lα-CD,15.0%（v/v）乙腈为添加剂组成,用0.5 mol/L H3BO3溶液调节BGE的p H值为9.0;分离电压为+20 k V,5k Pa压力进样4 s。第三章主要验证了CE-UV法对活性蓝19、活性黑5、活性红195三种活性染料单色染色过程检测的实际应用性,并且计算了单染过程中各活性染料及水解染料的浓度及上染率。通过使用CE-UV方法在各活性染料的不同检测波长处和200 nm处的检测结果进行对比,可知在确立了不同波长处各自的线性关系方程再分别代入计算的基础上,各活性染料在两种波长下的上染率结果在误差范围内一致,故所开发的CE-UV方法可用200 nm代替活性染料各自的检测波长进行检测,为多种活性染料拼染过程的检测奠定了基础。然后分别使用CE-UV法与UV-Vis法检测单染样品,并将所测上染率进行对比,发现两种方法所测上染率在误差范围内基本一致。故研究结果进一步表明所开发的CE-UV法可以用于活性染料单染过程中各染料浓度的检测。第四章主要验证了CE-UV法对活性蓝19、活性黑5、活性红195三种活性染料拼色染色过程检测的实际应用性,并且计算了拼染过程中各染料及水解染料的浓度及上染率。然后将计算结果与UV-Vis法对实际拼染样品的检测结果进行了对比,发现两种方法所测上染率在误差范围内一致。故此结果进一步表明所开发的CE-UV法可以用于活性染料实际拼染过程中染料浓度的检测。第五章阐述了本课题的结论与展望。

关键词： 有机共晶   自组装   纳米纤维膜   异质结构   微纳光子学  

摘要： 有机荧光染料分子的低维结构作为一种优异的光学晶态材料,将其引进纺织纤维材料中,不仅可以拓宽有机低维晶态材料的应用领域,而且有助于制得更加色彩鲜艳和功能化纺织品。特别是具有复杂结构的有机低维晶体为光子调制及其光学加密提供了新途径。但是,分子间弱的非共价相互作用会导致有机晶体成核及生长难以控制,所以开发低维晶态结构的可控构筑策略并揭示其构效关系对于发展高性能有机荧光材料十分必要。本论文通过溶液自组装方法制备了一系列具有荧光发射可调性能的有机共晶及合金材料,进一步从满足不同应用场景的需求出发制备了掺杂纳米纤维膜及异质结构微米线,并探索其在功能织物和光学波导中的光功能应用。主要研究内容分为以下几个方面: （1）通过简单高效的溶液自组装方法设计合成了一系列有机共晶材料,探究有机给受体分子对有机共晶的制备及光学性质的影响,从而揭示分子结构与晶体光学性能之间的构效关系。基于有机分子能级结构及分子间作用力的调控,构筑了系列有机共晶材料,实现吸收范围在300～1800 nm和荧光发射范围在400～1015 nm间的灵活调控。进一步,基于有机共晶相似的分子间距离、堆积方式以及竞争性的分子间相互作用,可控制备了兼具荧光发射可调及增强荧光量子产率性能的有机合金材料。 （2）从构建功能织物的应用角度出发,通过静电纺丝技术将有机共晶或合金材料掺杂进入聚氨酯（PU）纳米纤维膜中,实现具有可见到近红外波段的荧光发射薄膜材料,探索了掺杂纳米纤维膜的制备条件及晶体在纤维中存在形式。进一步将具有近红外吸收的有机共晶掺杂进PU纳米纤维膜中,实现光热转换效率达到60%的优异性能。此研究证明了有机低维晶体与纺织纤维材料复合的可行性,从而填充了有机晶体材料掺杂纳米纤维膜研究领域的空白。 （3）为解决当前单一结构的有机共晶无法满足微观层面上光子调制的问题,深入探究多组分自组装过程中有机共晶的晶体结构及晶面吸附能对异质结构可控制备的影响,提出了一种有机异质结构的超低晶格失配外延生长策略。通过该策略可控制备了具有超低晶格失配率（η）的三嵌段（η1=0.7%）、枝杈（η2=0.8%）和核/壳（η3=0.6%）异质结构微米线。最后,基于异质结构微米线位置依赖的发光特性,实现了主动与被动光波导及光学逻辑门运算。 （4）针对有机异质结构微米线无法宏量制备而限制其实际应用的问题,提出了一种基于有机共晶及合金的无晶格失配生长概念,实现了有机异质结构微米线的大规模制备。进一步,通过调控物质比例实现了三嵌段和核壳结构微米线的精准构筑。随后,探究了该策略的普适性,研究发现通过合理选择有机分子可以实现十几种异质结构微米线的制备。最后,通过模板法限域嵌段结构微米线的生长制备了荧光二维码图案,并利用嵌段结构微米线的独特结构和光谱特征实现了二维码图案的三级加密。本策略为大规模、可控制备有机异质结构微米线提供了新途径,同时基于荧光二维码的防伪加密性能,为光学信息加密提供材料基础和理论依据。

关键词： 染料敏化太阳能电池   苯并吩噻嗪   三苯胺   光电转化效率   电子转移   含时密度泛函理论  

摘要： 染料敏化太阳能电池（DSSC）由于其低成本、对环境友好且能高效的将太阳能转换为电能而被广泛研究。然而,目前,DSSC的效率仍然落后于传统的硅基太阳能电池,限制了其广泛的应用。值得注意的是,染料分子作为染料敏化太阳能电池的相对重要的构成组件,其对电池效率的影响至关重要。染料的主要作用是用来捕捉光子和转移电子,因此适当改变染料材料的结构可以有效提高电池效率。通过实验操作来调控敏化剂以提高电池效率耗时长、成本高。研究人员可以利用量子化学计算的辅助,通过在分子层面上进一步了解染料分子结构和能量转换效率之间的关系,从而实现对DSSC实验研究的重要数据补充。对染料分子的理论计算可以预测和支持实验,揭示染料敏化太阳能电池在原子层面的作用机制,并描述不同结构对其效率的重要影响。本文采用了密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）对有机染料分子的几何结构、电子转移、吸光性能等做了详细的分析。从而有望设计出新型高效的染料敏化剂,并为实验提供有利的理论指导。吩噻嗪作为富电子基团,已经被广泛应用于染料敏化太阳能电池中,而对于苯并吩噻嗪应用于染料分子的研究却较少。本文在1,2-苯并吩噻嗪基团的基础上通过增加/变换给体或受体基团,详细分析了十个不同结构的染料分子,以此探究给、受体不同连接构造对染料分子性能的影响,从而筛选出潜在的高性能染料分子。本文主要采用密度泛函理论方法计算了染料分子的几何结构、前线轨道、能级、光学吸收性质、电子结构以及界面电子转移等。计算结果表明,在1,2-苯并吩噻嗪与氰基丙烯酸之间加入呋喃基团,可以使染料分子获得更小的轨道能隙、更宽的光谱吸收范围,因此在π桥与受体之间加入辅助受体是一个可行的策略。同时与咔唑对比,发现选择三苯胺作为给体基团的时候,染料分子具有更大电子转移效率、更高的电子注入效率,因此其更易为电池带来优异的光电转化效率。同样的,我们分析了染料分子受体连接到吩噻嗪C-3位与C-7位的区别,发现当受体位于C-3位时,染料分子能够实现更高的电荷转移效率,更宽的光谱响应,且染料与二氧化钛之间可以实现更好的耦合,更有利于染料中激发的电子注入到二氧化钛导带中。因此,采用三苯胺作为给体基团、1,2-苯并吩噻嗪作为π桥、在C-3位引入呋喃作为辅助受体、氰基丙烯酸作为锚定基团时,染料分子有望实现更高的光电转化效率。在上一章节的基础上,我们同样采用1,2-苯并吩噻嗪作为π桥、三苯胺作为给体基团,同时增加了苯基作为辅助受体,又分别在苯基上连接一个或两个甲氧基、氟原子、氯原子,设计了七种不同的n型染料分子,以此探究不同电负性的原子对染料性能的影响。根据数据分析可知,相比于没有在苯基上额外连接原子、或连接一个原子的敏化剂,连接了两个原子基团的分子具有相对较优异的光学性能、轨道能级,以及电荷转移效率。同时,当取代基团为两个氟原子（DFBP）时,敏化剂具有较小的能隙,且吸收光谱相比其他结构有明显的红移。分析其电子空穴转移性质发现,染料DFBP电子空穴分离明显,具有较高的电子转移量。同样的,分析其与二氧化钛锚定后的吸附体系,发现其明显减小了轨道能隙,吸收光谱红移,同时上移Ti O2半导体导带的边缘,因此将进一步提高短路电流和开路电压。

关键词： 生物质活性炭   吸附   催化剂   非均相Fenton反应   降解  

摘要： 近年来,由于世界人口激增以及社会快速发展,能源消耗速度飙升,而传统能源的消耗过程中伴随着大量温室气体的排放,如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氮氧化物（NOX）等,大大加快了全球气候变暖速度,进而导致蓝藻水华现象在全世界范围内相继出现。不仅如此,我国人均水资源量远低于世界平均水平,而且时空分布极不平衡。作为世界第一工业大国,我国面临治理废水的艰巨任务。因此,加快推进废水处理进程是经济社会全面绿色转型的重中之重。然而,当前太湖流域对于蓝藻的处理依旧以减量化、无害化为主,缺少蓝藻资源化利用的手段。因此,本论文以太湖蓝藻为原料制备了活性炭及活性炭基催化剂,为蓝藻的资源化利用以及染料废水的处理提供了一种有效的解决方案。本论文以太湖蓝藻为原材料分别制备了蓝藻基活性炭（ACB）和蓝藻基催化剂（ACK）,将蓝藻资源化利用并应用于染料废水处理。通过调控制备工艺条件制备出一种超高比表面积、丰富孔结构且吸附性能优异的蓝藻基活性炭,明确了影响其吸附性能的关键因素,并通过吸附动力学和热力学研究阐明了蓝藻基活性炭对染料的吸附机理。又以蓝藻基活性炭作为催化剂的载体,使用高级氧化技术进一步降解染料废水。本研究充分考察了活化温度对蓝藻基催化剂结构和对亚甲基蓝降解性能的影响,验证了蓝藻基催化剂的重复使用情况,系统地研究了羟基自由基在降解过程中的作用,并阐明蓝藻基催化剂对染料的降解机理。取得了以下研究结果:一方面,通过对炭化温度、炭碱比和活化温度等制备工艺的调控,制备出一种具有超高比表面积(2178.90 m2 g-1)和发达孔隙结构(1.01 cm3 g-1)的蓝藻基活性炭（ACB-4-2-8）。又从饱和吸附量入手,明确了孔结构与饱和吸附量的关系,并优选出吸附性能最佳的蓝藻基活性炭,最大吸附量为1517 mg g-1。此外,系统地研究了影响ACB-4-2-8吸附性能的关键因素。吸附动力学研究表明,拟二级动力学模型对ACB-4-2-8吸附亚甲基蓝染料具有良好的适应性。还使用Langmuir等温吸附模型探究ACB-4-2-8与染料分子之间的相互作用,证明了染料会以单分子层覆盖在ACB-4-2-8表面。通过热力学分析,证明了ACB-4-2-8对亚甲基蓝的吸附以物理吸附为主。另一方面,以蓝藻基活性炭为基础开发了一种高性能的类Fenton催化剂ACK-8-Fe。通过X射线衍射和X射线光电子能谱等分析证明了铁基催化剂成功负载并确定铁基催化剂的主要成分为α-Fe2O3。系统地研究了初始染料浓度、溶液酸碱度和催化反应温度等关键反应参数对ACK-8-Fe降解性能的影响情况。通过自由基猝灭实验和顺磁共振波谱实验证明羟基自由基是主要的活性自由基。ACK-8-Fe之所以具备极强的催化降解性能归因于其较大的比表面积和较高的α-Fe2O3负载量。不仅如此,较高的N元素含量,尤其是吡咯N含量,以及ACK-8-Fe中持久自由基的存在,可以加速Fe（III）/Fe（II）循环,促进其催化性能。通过循环降解,ACK-8-Fe表现出良好的重复使用性和稳定性,这对于实际应用至关重要。本论文证实了以太湖蓝藻原料制备生物质活性炭和活性炭基催化剂的可行性,为太湖蓝藻的资源化利用提供了良好的解决方案。此外,开发了一种超高比表面积、发达孔结构和超强吸附性能的活性炭材料和一种高性能的类Fenton催化剂,对于解决实际生产生活中的废水问题具有借鉴意义。

关键词： 光催化   磁分离   TiO2   活性染料  

摘要： 染料废水通常具有毒性大、色度高、降解困难、可生化性差等特点,是一种难处理的工业废水。开发高效、环保的染料废水处理方法是水环境治理领域的重要研究课题。光催化法因操作简单、成本低及应用广泛等优点被认为是有机废水处理最经济有效的方法之一。光催化剂是决定光催化降解有机废水效果好坏的关键因素。在众多光催化剂中,Ti O因其成本低、化学稳定性好、无毒和催化活性高而备受青睐。然而,在实际的污水处理工程中,电子-空穴对的快速重组会限制Ti O光量子效率,粉体Ti O也难以回收。针对Ti O以上缺点,本论文采用模板法构筑介孔结构制备出三种可循环利用且具有强化光催化性能的磁性Ti O复合光催化剂。本论文的主要研究内容和结论如下:(1)以FeO为核芯,采用st(?)ber法引入Si O中间惰性层,采用溶胶-凝胶法使Ti O均匀包裹住FS(FeO@Si O)球体,成功制备出核壳结构的磁性Ti O复合催化剂FST(FeO@Si O@Ti O)。其次,为了能有序构建新型光催化剂FST的介孔结构,在该体系研究基础上,引入了模板剂CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)和PEG-600(聚乙二醇),得到了具有不同晶型结构、孔径和比表面积的磁性Ti O复合催化剂FSTP(FeO@Si O@Ti O-PEG-600)和FSTC(FeO@Si O@Ti O-CTAB)。(2)对合成的光催化剂FST进行表征,结果表明成功制备出锐钛矿型Ti O壳层,并且对核芯包覆情况良好,颗粒表面粗糙,有良好的光催化表面条件。Si O惰性层成功防止了FeO颗粒与Ti O外壳之间形成I型异质结,避免了光催化过程中的光腐蚀。采用单因素法和正交试验研究了光催化剂的应用条件,结果显示光催化剂FST在120 min降解染料浓度为10 mg/L的模拟染料废水Rh B(罗丹明B)溶液的色度去除率为88.7%。同时光催化剂FST在经过六次光催化实验周期后表现出良好的光催化性能稳定性。(3)对合成的光催化剂FSTP和FSTC进行表征,结果表明FSTP为形状规则的球形颗粒,结构疏松;FSTC呈现不规则块状,堆积松散。与FST相比,FSTP和FSTC光响应范围增大,由紫外光拓展到可见光区域。催化剂FSTP内部存在丰富的介孔结构,如“墨水瓶”孔、孔径分布不均的管形孔;FSTC内部具有狭缝孔,孔径细小、范围分布不均。采用单因素法、正交试验和响应面模拟对光催化剂应用条件进行探究,光催化剂FSTP在120 min降解染料浓度为10 mg/L的模拟染料废水Rh B溶液的色度去除率为99.78%;FSTC在120 min降解模拟染料废水Rh B溶液的色度去除率为72.7%。同时光催化剂FSTP和FSTC在六个光催化实验周期后均表现出良好的光催化性能稳定性。

关键词： Fe3O4   磁性核壳结构   分离吸附   染料   重金属离子  

摘要： 随着人们生活需求的增加,工业化生产发展越来越迅速,生产过程中产生的污染物直接排放到环境中,造成日益严重的环境问题已经成为社会关注的焦点。工业排放的染料和重金属离子具有极高的难降解性,它们能够在水体中长期存在,给生态环境和多种生物带来了极大的威胁。纳米级吸附剂在处理水污染方面已经显示出了巨大的潜力,然而制备出一种可以同时吸附多种染料和重金属离子的吸附剂是一个巨大的挑战,因此开发一种新型的能从溶液中快速分离出来的纳米级复合材料也成为了众多学者关注的热点。吸附技术作为一种物理技术,在水处理中具有非常明显的技术特点和优势。吸附法不仅操作简单,效率高,不受温度影响,而且有可以快速分离悬浮物,对水溶液和样品造成的损失低的优点,基于这些优点,这项技术已经渗透到各个领域,尤其是水处理领域,为吸附剂开辟了一个新的思路。四氧化三铁（Fe3O4）纳米颗粒具有化学稳定性,粒径均匀和生物相容性等独特的特性,是磁性纳米复合材料吸附剂制备中应用最广泛的材料。本文通过以Fe3O4为内核,制备了多种磁性核壳结构的复合材料,通过扫描电镜（SEM）,透射电镜（TEM）,傅里叶变换红外光谱（FTIR）,X-射线衍射（XRD）,X-射线衍射光电子能谱（XPS）,比表面积和孔隙率（BET）,热重分析（TGA）,磁滞回线（VSM）和Zeta电位（Zeta）对其进行了表征,紫外可见光分析（UV-Vis）研究了吸附剂对亚甲基蓝（MB）,孔雀石绿（MG）,罗丹明B（RhB）和茜素红（AR）,刚果红（CR）,酸性红（AR1）和重金属离子Mn（Ⅶ）的吸附行为,具体实验方案和测试结果如下: （1）采用水热法,原位聚合法和用硅烷偶联剂KH-570交联接枝的相结合的方法制备出磁性核壳结构的Fe3O4@聚吡咯@4-乙烯基吡啶（Fe3O4@PPy@4-VP）复合材料,用于MB,MG,RhB和AR染料的处理。阐述了染料初始浓度,温度和时间对去除效率和吸附容量的影响,其中,吸附容量随着温度升高而增加。经过深入研究,利用吸附动力学,等温线模型以及吸附热力学模型,全面阐述了Fe3O4@PPy@4-VP对染料的吸附过程。结果表明,四种染料（MB,MG,RhB和AR）的吸附过程与伪二阶动力学模型更吻合,MB,MG,RhB符合Langmuir等温线模型,AR与Freundlich等温线模型更吻合,同时吸附热力学模型的讨论得出Fe3O4@PPy@4-VP复合材料对四种染料是自发吸热行为。5次循环后对MB,MG,RhB和AR的去除效率q损失均小于1%。所制备的吸附剂不仅能同时吸附多种染料,而且Fe3O4@PPy@4-VP复合材料的饱和磁力强度为33.84 emu g-1,借助外用磁力能快速与溶液分离,在分离吸附领域具有广泛的应用前景。 （2）以Fe3O4为核,用水热法在外面包裹了堆叠起来的花簇状的二氧化锰（MnO2）,增大了复合材料的比表面积,最后用硅烷偶联剂KH-560交联接枝的方法在Fe3O4@MnO2复合材料包裹β-环糊精（β-CD）,为吸附剂带来了大量的O原子和环氧基团。经过SEM和TEM测试呈现出规整的纳米花状,对吸附重金属离子Mn（Ⅶ）研究结果表明,吸附过程符合伪二阶动力学模型和Langmuir等温线模型,主要为化学吸附和单层吸附,在pH=2的环境下吸附效果最佳,会随着温度的升高吸附容量也逐渐提高,表明是吸热反应,以及吸附剂和Mn（Ⅶ）反应时控制速率的步骤主要由颗粒内扩散的孔内扩散和液膜扩散协同控制。 （3）用阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）对Fe3O4@PPy复合材料改性合成磁性核壳结构的Fe3O4@PPy-SDS复合材料,对MB,MG,RhB,CR,AR1和重金属离子Mn（Ⅶ）有较强的选择性吸附能力。经过一系列测试后,发现吸附剂种类,时间,污染物初始浓度和温度都会对吸附能力产生影响。吸附动力学和等温线表明:吸附过程更符合伪二阶动力学和Langmuir模型,扩散行为受颗粒内扩散和液膜内扩散的共同控制,吸附热力学研究揭示了对六种吸附质是自发的吸热反应。5次解吸-吸附循环后,去除效率q分别为94.56%,95.49%,92.49%,90.86%,92.72%和97.13%,均都达到90%以上。所制备的Fe3O4@PPy-SDS复合材料是一种高效,是一种针对染料和Mn（Ⅶ）有前景的可再生吸附剂,在工业污水处理领域具有广泛的应用前景。