微波輔助合成介孔 Mgo@Carbon 雜化納米復(fù)合材料增強(qiáng)對(duì)氧毒素的催化降解
- 引言
納米材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)而受到越來越多的關(guān)注。其中，金屬氧化物納米顆粒廣泛應(yīng)用于能源存儲(chǔ)、催化、電化學(xué)、潤滑、傳感器、涂層和環(huán)境修復(fù)等各個(gè)領(lǐng)域[1]。與傳統(tǒng)去除有機(jī)污染物的材料相比，金屬氧化物納米材料和復(fù)合材料由于其多個(gè)活性位點(diǎn)和高比表面積，具有更好的吸附和降解能力。作為環(huán)境修復(fù)的有效候選材料，MgO及其復(fù)合材料因其在去除廢水中的阿莫西林[2]和具有更高吸附容量的染料[3 - 6]方面的廣泛應(yīng)用前景而得到了廣泛的研究。
作為一種有機(jī)磷農(nóng)藥和VX的模擬化學(xué)神經(jīng)毒劑，對(duì)氧磷毒素在許多研究中被用作探針分子，以探索如何進(jìn)行解毒，同時(shí)環(huán)境修復(fù)也越來越受到關(guān)注[7]。各種金屬氧化物納米顆粒已被報(bào)道為對(duì)氧磷的去污吸附劑，如TiO2 [8,9]、MgO [10 - 12]、CaO [13]、ZnO [14]、Al2O3 [15,16]、MnO2 [17]和CeO2 [18]。其中，MgO是一種相對(duì)廉價(jià)、安全、高效且易于獲得的吸附劑，可用于溶液中重金屬離子、有機(jī)染料、氟化物和磷酸鹽的吸附[19]。MgO納米晶體表面的超氧自由基（⋅O2 - ）和羥基自由基（⋅OH）與對(duì)氧磷在室溫下發(fā)生解離化學(xué)吸附反應(yīng)。該過程涉及P - O鍵的斷裂和所得分子片段的固定，將對(duì)氧磷分解為 - O - C6H4NO2、 - OEt和 - PO4基團(tuán)，并共軛到MgO表面[20]。然而，由于其高活性和易團(tuán)聚，制備小尺寸的MgO納米顆粒始終具有挑戰(zhàn)性。一般來說，納米顆粒的尺寸越小，其比表面積越大。因此，它可以提供更多的活性位點(diǎn)來提高其內(nèi)在的吸附和降解性能。到目前為止，已經(jīng)探索了各種方法來獲得MgO納米顆粒，如溶膠 - 凝膠法、化學(xué)沉淀法、水熱法、溶劑熱法、熱分解法、化學(xué)氣相沉積法、微乳液法和超聲法[1,21 - 24,29]。以不同方式制備的MgO納米顆粒的粒徑和形態(tài)具有不同的性質(zhì)。
在這些方法中，水熱法通常用于合成不同形狀的分級(jí)MgO納米結(jié)構(gòu)[25,26]。然而，這些方法通常需要相對(duì)較高的水熱溫度（即180 - 265℃）和較長(zhǎng)的孵育時(shí)間（即4 - 6小時(shí)）[27]，由于高能耗，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。作為一種高效的綠色方法，微波輔助輻射可用于克服這些問題，由于其更快的加熱速率、更高的能量效率、更容易控制和更高的安全性，可促進(jìn)水熱反應(yīng)進(jìn)行體相加熱[28]。
作為一種傳統(tǒng)的吸附劑，活性炭表現(xiàn)出良好的吸附能力。然而，其飽和容量有限，并且由于物理吸附過程，吸收的毒物分子容易解離，導(dǎo)致二次污染或傷害[30,31]。但很少有研究關(guān)注用于環(huán)境修復(fù)的MgO/碳納米復(fù)合材料的雜化制備[6,32]。在此，我們應(yīng)用微波輔助水熱法一鍋合成了分級(jí)MgO摻雜碳納米復(fù)合材料（MgO@C），以探索其對(duì)對(duì)氧磷毒素的降解性能。此外，作為一種寬帶隙半導(dǎo)體，MgO由于表面存在豐富的結(jié)構(gòu)缺陷和表面活性位點(diǎn)，在光激發(fā)下可以產(chǎn)生光生電子 - 空穴對(duì)，然后表現(xiàn)出光催化性能。
首先，在溫和條件下，由甲醇鎂在甲苯/水相中水解過夜制備水合Mg(OH)2。然后加入三亞甲基二醇（TEG）作為碳源和極性分子，在程序控制的微波輻射下促進(jìn)加熱條件，形成Mg(OH)2 - TEG前驅(qū)體。最后，在N2氣氛下，在不同煅燒溫度下將Mg(OH)2 - TEG前驅(qū)體分解形成MgO納米顆粒和無定形碳，得到系列MgO@C納米復(fù)合材料。此外，研究了所制備的MgO@C納米復(fù)合材料的組成、形態(tài)及其對(duì)對(duì)氧磷降解的性能、動(dòng)力學(xué)和機(jī)理。此外，特定的MgO@C樣品在對(duì)氧磷降解方面表現(xiàn)出顯著的光熱增強(qiáng)效應(yīng)。由于其相對(duì)較小的粒徑、較大的比表面積和豐富的超氧自由基（⋅O2 - ）位點(diǎn)，這種MgO@C可能是一種有效的有機(jī)磷毒素去除吸附劑。 - 實(shí)驗(yàn)部分
2.1. 材料和方法
商業(yè)MgO（20nm）購自南京先豐納米材料科技有限公司。甲醇鎂（Mg (OCH3)2，7 - 8wt%）、活性炭粉（≥100目）、正庚烷（色譜級(jí)）和氯化硝基四氮唑藍(lán)（NBT，98%）購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。對(duì)氧磷（AR）購自天津瑞寶信科技有限公司。Nafion膜溶液（5%）購自上海和森電氣有限公司。甲苯（AR）、無水乙醇（AR）和三亞甲基二醇（AR）購自天津大茂化學(xué)試劑廠。去離子水（18.0MΩcm）在實(shí)驗(yàn)室新鮮制備。羥基自由基清除能力測(cè)試試劑盒購自北京索萊寶科技有限公司。
微波輔助加熱階段使用的儀器是多功能微波化學(xué)合成儀（XH - 300UP，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司）。燃燒階段使用的真空/氣氛管式爐是SK - G05143（天津中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司）
