关键词：
木质素
木质素模型化合物
光催化
硅量子点
碳量子点
氮化碳
摘要：
当代资源与生态环境问题日益突出,向人类提出了严峻的挑战,可持续发展是20世纪80年代提出的一个新的发展观。木质素是自然界中唯一可提供芳香环结构的可再生资源,是一种有潜力可以替代化石资源生产芳香烃的原料,然而木质素中复杂而又稳定的化学键成为了木质素解聚的难题。传统的木质素解聚方法存在条件苛刻,过程复杂,效率低,容易产生污染等缺点,从而导致难以大规模利用。光催化技术具有绿色高效,条件温和,效率高的优势,并且太阳能也是一种可再生能源,吸引了广大学者的研究。本论文制备不同量子点负载的氮化碳材料,并将其应用于光催化转化三种木质素模型化合物的研究,通过调控其复合比例,优化实验反应条件,探索出在模拟太阳光下解聚木质素模型化合物的最佳反应条件,并对复合材料进行形貌、结构以及官能团、元素分析的表征,探索光催化转化木质素模型化合物的机理,为天然木质素的光催化解聚研究提供理论基础。具体研究内容和主要结果如下:(1)以3-脲丙基三乙氧基硅烷和柠檬酸三钠为原料,通过一步水热法制备硅量子点(Si QDs),再通过液相超声法将Si QDs负载到石墨相氮化碳(g-CN)上,应用于光催化转化木质素模型化合物2-(2-甲氧基-苯氧基)-1-(4-甲氧基-苯基)-乙醇。最佳光催化实验条件为:100 m L 0.5 mmol/L木质素模型化合物溶液,50mg 10%Si QDs/g-CN,模拟太阳光,光照120 min,乙腈为溶剂。在该实验条件下木质素模型化合物的转化率为100%,产物为对甲氧基苯甲醛以及甲酸-2-甲氧基苯基酯,产率分别为50.6%和27.2%。并且实验结果表明Si QDs/g-CN具有良好的稳定性。(2)使用Si QDs/g-CN为光催化剂,对木质素单体模型化合物愈创木酚进行光催化转化。实验结果表明,愈创木酚的初始浓度越低,其降解速率越快。通过特征官能团显色法对愈创木酚降解前后的官能团进行检测,结果表明愈创木酚降解前为一种含有酚羟基的芳烃结构的不饱和化合物,而愈创木酚降解后为不含酚羟基的非芳烃结构的不饱和化合物。通过紫外可见分光光度计、液相色谱、气相色谱质谱联用对愈创木酚降解规律以及降解产物进行分析,结果表明,愈创木酚在光催化的作用下苯环发生开环,生成小分子酸,如甲酸、乙酸、2-甲氧基丁-2-烯二酸、顺,顺-己二烯二酸等,小分子酸在光催化体系中不稳定会继续发生降解。(3)选用不同碳源通过一步水热法合成碳量子点(CDs),再通过液相超声法制备不同CDs/g-CN复合材料,应用于光催化转化木质素模型化合物2-苯氧基-1-苯乙醇。结果表明,以N、S元素共掺杂所制备的碳点,负载量为15%的CDs/g-CN复合材料对模型物的转化速率最快,通过控制变量实验确定其最佳反应条件为:催化剂投加量15 mg,光催化时间为90 min,模型物的转化率为98.8%,产物苯甲醛和甲酸苯酯的产率分别为67.9%和67.3%。其中,碳点提高了g-CN的光吸收强度,促进光生载流子的分离效率,产生更多的空穴以及超氧自由基·O,从而加快模型物的转化速率和提高甲酸苯酯的产率。
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