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作者：

李洁

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摘要：

多功能化和微结构化新型纳米复合材料的研发是当前催化科学领域的研究热点.具有多级结构的磁性纳米复合催化材料兼具纳米催化材料的高催化活性和磁性纳米粒子独特的磁性回收功能,其多功能集成组装和表面功能化是提升材料性能的关键技术.本论文致力于设计与构筑具有超顺磁性的yolk-shell/core-shell结构纳米复合催化材料,通过在磁性纳米粒子表面负载贵金属纳米催化材料,包覆TiO2光催化材料和金属有机骨架催化材料,引入催化活性组分并自组装形成独特的yolk-shell/core-shell结构,实现新型多级结构磁性纳米复合催化材料的可控设计及功能组装.基于复合催化材料活性组分的催化性能,探索了催化剂在硝基类还原反应,光催化降解反应,醇类和烯烃类有氧氧化反应等不同催化反应体系中的催化效率.本论文的研究包括三类不同结构和组成的磁性yolk-shell/core-shell结构纳米复合催化材料的设计制备及其催化性能研究,主要结论为:(1)以具有独特双层空腔yolk-shell结构海胆状Fe3O4/TiO2微球为载体高效负载贵金属金纳米粒子,制备得到yolk-shell双层空腔结构海胆状Fe3O4/TiO2/Au纳米复合催化材料.金纳米粒子均匀分布在微球表面纳米纤维上及双层空腔结构中,有效解决了贵金属纳米催化材料应用过程中易团聚,易流失的问题.以4-硝基苯酚的催化还原反应为探针反应,该Fe3O4/TiO2/Au催化材料反应速率常数为1.84 min-1,TOF为5457 h-1,且可通过施加外磁场实现催化剂的快速分离回收.(2)以聚丙烯酸修饰的Fe3O4作为功能内核,包覆锐钛矿TiO2活性壳层,并固载金纳米粒子,得到yolk-shell结构Fe3O4(PAA)-Au@TiO2光催化材料.金纳米粒子将TiO2的吸收光谱扩展到可见光区域,且其独特的yolk-shell结构可使光在微球内部空间发生多次反射,提高光吸收的效率,以可见光下罗丹明B染料的光降解反应为探针反应,该Fe3O4(PAA)-Au@TiO2光催化材料的反应速率常数为0.0159 min-1,且可通过施加外磁场而实现快速分离回收.(3)以聚丙烯酸修饰的Fe3O4作为功能内核,包覆Cu3(btc)2活性壳层,制备得到core-shell结构Fe3O4@Cu3(btc)2复合催化材料.在以1 atm分子氧为氧源的温和条件下,以苯甲醇选择性氧化为苯甲醛的反应为探针反应,该Fe3O4/Cu3(btc)2纳米复合催化材料在6 h即将苯甲醇高效转化为苯甲醛,选择性高达100%,且对于醇类和烯烃类底物的有氧氧化反应具有很好的普适性.聚丙烯酸修饰的Fe304表面丰富的羧基官能团与Cu2+形成配位,实现了Cu3(btc)2壳层的稳定锚固,该超顺磁性复合催化剂可通过施加外磁场而实现快速分离回收.

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关键词：

yolk-shell core-shell 磁性材料 纳米复合材料 贵金属纳米值化材料 TiO_2光催化材料 金属有机骨架催化材料