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试议多级核壳结构水滑石基磁性纳米复合微球制备、结构与其催化性能

收藏本文 2024-03-21 点赞:26685 浏览:113322 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:近年来,核壳结构磁性纳米功能复合材料由于兼具磁性材料和多功能材料的性质,而广泛运用于催化、生物药物、选择性分离和化学传感等领域。本论文以含有过渡金属的三元/四元水滑石(LDH)为功能壳层,以超顺磁性Fe_3O_4微球粒子为磁核,采取一步共沉淀法在室温下首次快速合成出一系列组成可调、形貌可控的新型多级核壳结构磁性纳米复合微球型催化剂或载体材料,采取SEM/EDX、TEM/HRTEM、XRD、TG-DTG、BET、V和XPS等表征技术探讨了多级结构磁性微球的结构组成、形貌和物化性能,并以苯酚羟基化反应为探针,考察了新材料的催化性能和磁回收重复利用性能。本论文的主要探讨内容和革新点如下:以改善的溶剂热法制备出粒径均一(~400nm)具有超顺磁性中空Fe_3O_4微球粒子为磁核,以无机硝酸盐及NaOH/Na_2CO_3为原料,于室温采取一步共沉淀法快速组装得到系列具有多级核壳结构的三元水滑石基磁性纳米复合微球Fe_3O_4@CuNiAl-LDH。通过调变反应介质醇/水比制备出壳层粒子形貌及厚度可调的Fe_3O_4@CuNiAl-LDH复合粒子,在纯水介质中得到了壳层LDH粒子垂直取向交错生长于磁核表面的蜂巢状多级结构。通过调变盐的相对浓度(nCu/nFe=0.15,0.30,0.60)得到壳层LDH相含量依次增加(54.0%,68.7%,81.0%)、壳层厚度依次增加(56,100,120nm)、而LDH纳米片厚度逐渐减小(18.8-8.8nm)的磁性复合粒子。尝试性地提出了多级结构磁性复合物的形成机理。其关键在于,预调节反应液pH值,使Fe_3O_4表面充满负电荷,继而借助静电吸引使得盐-碱在磁核表面快速成核与生长得到LDH六方片状粒子垂直交错取向附生的蜂巢状多级核壳结构磁性复合微球。Fe_3O_4@CuNiAl-LDH系列催化剂的苯酚羟基化活性均较单纯CuNiAl-LDH显著提升,最高转化率为30.9%,二酚选择性为38.1%,TOF为27.1h-1。相对盐浓度系列样品的最高催化活性,归因于高分散的催化活性中心Cu~(2+)。调变Cu/Zn/Ni摩尔比制备出四元LDH基Fe_3O_4@CuNiZnAl-LDH多级核壳结构磁性复合微球。随着Zn/Ni比增加(0.3/2.7,0.5/2.5,0.7/2.3),LDH壳层厚度先增加后减小(50,65,30nm),LDH片层厚度无显著变化。Fe_3O_4@CuNiZnAl-LDH系列催化剂的有效活性较Fe_3O_4@CuNiAl-LDH提升(TOF=38.6h~((-1)),归因于Zn掺杂导致LDH层板上形成Cu~(2+)-O-Zn~(2+)链接使活性位Cu2+分散更均匀。多级核壳磁性复合微球具有较高的比饱和磁化强度,反应后用外加磁场可方便分离,大大提升了催化剂的分离效率和循环利用率。该探讨对于多级结构磁性复合材料的可制约备及其在催化、分离等领域的运用具有重要的现实作用。关键词:多级核壳结构论文磁性复合材料论文Fe_3O_4论文水滑石论文过渡金属论文蜂巢状形貌论文取向生长论文苯酚羟基化论文重复利用性论文

    摘要4-6

    ABSTRACT6-17

    第一章 绪论17-37

    1.1 核壳结构磁性纳米复合微球17-26

    1.1.1 磁性纳米复合微球的组成和结构类型17-18

    1.1.2 核壳结构磁性纳米复合微球的制备策略18-23

    1.1.2.1 种子沉积法18-19

    1.1.2.2 溶胶-凝胶法19-20

    1.1.2.3 化学共沉淀法20

    1.1.2.4 单体聚合法20-21

    1.1.2.5 水热法21-22

    1.1.2.6 自组装法22-23

    1.1.2.7 超声化学法23

    1.1.2.8 包埋法23

    1.1.3 核壳结构磁性复合微球的运用23-26

    1.1.3.1 生物分离23-24

    1.1.3.2 靶向药物传输24-25

    1.1.3.3 催化分离25

    1.1.3.4 固定化酶25

    1.1.3.5 废水处理25-26

    1.1.3.6 其他运用26

    1.2 水滑石类化合物26-32

    1.2.1 水滑石的结构和组成26-27

    1.2.2 水滑石的合成策略27-29

    1.2.2.1 共沉淀法27-29

    1.2.2.2 离子交换法29

    1.2.2.3 焙烧复原法29

    1.2.2.4 其他策略29

    1.2.3 水滑石的性质29-30

    1.2.3.1 层板金属元素的可调变性29

    1.2.3.2 层间阴离子的可交换性29-30

    1.2.3.3 碱性30

    1.2.3.4 热稳定性30

    1.2.3.5 记忆效应30

    1.2.4 水滑石在催化领域的运用30-32

    1.2.4.1 氧化还原催化30-31

    1.2.4.2 固体碱催化31-32

    1.2.4.3 催化剂载体32

    1.3 核壳结构水滑石基磁性复合微球的探讨进展32-35

    1.3.1 核壳结构水滑石基磁性复合微球的制备32-34

    1.3.1.1 共沉淀法33

    1.3.1.2 离子交换法33

    1.3.1.3 焙烧复原法33-34

    1.3.1.4 层层自组装法34

    1.3.2 核壳结构水滑石基磁性复合微球的运用34-35

    1.3.2.1 靶向药物传输34

    1.3.2.2 蛋白分离34

    1.3.2.3 磁性固体碱34-35

    1.3.2.4 光催化降解35

    1.3.3 核壳结构水滑石基磁性复合微球探讨目前有着的主要不足35

    1.4 论文的目的、作用和主要内容35-37

    1.4.1 论文的提出、目的和作用35-36

    1.4.2 论文探讨的主要内容36-37

    第二章 实验部分37-42

    2.1 实验药品37

    2.2 实验内容37-39

    2.2.1 磁核Fe_3O_4微球的合成37-38

    2.2.2 三元水滑石基多级核壳结构磁性复合微球Fe_3O_4@CuNiAl-LDH的合成38

    2.2.3 四元水滑石基多级核壳结构磁性复合微球Fe_3O_4@CuNiZnAl-LDH的合成38-39

    2.2.4 催化苯酚羟基化性能39

    2.3 表征策略和仪器39-42

    2.3.1 X-射线衍射浅析(XRD)39

    2.3.2 傅立红外光谱浅析(FT-IR)39-40

    2.3.3 扫描电子显微镜浅析(SEM / EDX)40

    2.3.4 透射电子显微镜浅析(TEM / HRTEM)40

    2.3.5 比表面积-孔径浅析(BET)40

    2.3.6 热重-微分热重浅析(TG-DTG)40

    2.3.7 元素浅析(ICP)40-41

    2.3.8 X-射线光电子能谱浅析(XPS)41

    2.3.9 磁性浅析(V)41

    2.3.10 高效液相色谱浅析(Hplc)41-42

    第三章 三元水滑石基Fe_3O_4@CuNiAL-LDH多级核壳结构磁性复合微球的制备与结构表征42-60

    3.1 磁核Fe_3O_4的制备和物化性能42-45

    3.1.1 晶体结构42-43

    3.1.2 形貌特点43-44

    3.1.3 表面带电性质44

    3.1.4 磁性44-45

    3.2 核壳结构磁性复合微球的优化合成45-51

    3.2.1 元素调变的影响45-46

    3.2.2 晶化时间的影响46-47

    3.2.3 溶剂醇/水比的影响47-50

    3.2.4 盐相对浓度的影响50-51

    3.3 多级核壳结构磁性复合微球Fe_3O_4@CuNiAl-LDH的组成制约、物化性能探讨及形成机理51-57

    3.3.1 晶体结构和组成51-54

    3.3.2 形貌特点54-55

    3.3.3 热稳定性55-56

    3.3.4 垂直取向生长机理56-57

    3.4 小结57-60

    第四章 三元水滑石基Fe_3O_4@CuNiAl-LDH多级核壳结构磁性复合微球的苯酚羟基化催化性能探讨60-72

    4.1 多级核壳结构磁性复合微球Fe_3O_4@CuNiAl-LDH的催化活性60-62

    4.2 结构性质-催化机理的探讨62-67

    4.2.1 比表面积和分散度62-64

    4.2.2 表面性质浅析64-67

    4.3 多级核壳结构磁性复合微球Fe_3O_4@CuNiAl-LDH的重复利用性67-71

    4.3.1 磁性67-68

    4.3.2 催化活性68-69

    4.3.3 反应前后形貌和结构的比较69-71

    4.4 小结71-72

    第五章 四元水滑石基Fe_3O_4@CuNiZnAl-LDH多级核壳结构磁性复合微球的制备、结构及催化性能探讨72-88

    5.1 形貌、结构、组成与物化性能72-79

    5.1.1 形貌72-74

    5.1.2 晶体结构和组成74-77

    5.1.3 热稳定性77-78

    5.1.4 磁性78-79

    5.2 多级核壳结构磁性复合微球苯酚羟基化性能探讨79-86

    5.2.1 催化活性79-80

    5.2.2 结构性质-催化关联80-84

    5.2.2.1 比表面积和分散度80-83

    5.2.2.2 表面性质83-84

    5.2.3 反应前后形貌和结构的比较84-86

    5.3 小结86-88

    第六章 结论88-90

    革新点及展望90-92

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