多维度新型异相Fenton-like催化剂及催化膜材料的设计、合成

Fenton catalytic oxidation reaction is one of the most potential technologies in petrochemical engineering and environmental pollution control. In this project, highly active Fe based solid acid polymetallic oxides, heterogeneous Fenton-like catalysts supported by different kinds of multidimensional structured materials and Fenton catalytic membrane will be explored and prepared. More attention will be focused on their structure and functionalization design, synthetic procedure and related catalytic performance. Novel polymetallic Fenton-like catalysts based on metal-organic frameworks MOFs and porous TiO2 nanowire microspheres as supports will be prepared first, in which the contribution of acid sites within solid subsurface and textural characteristics to the catalytic oxidation behavior in the Fenton process will be investigated in detail. The new kind of heterogeneous Fenton catalytic MOF membrane will then be fabricated, which possesses not only good separation but also high catalytic activity to decompose oxidant H2O2. Special emphasis will be laid on the effect of synthetic methods, pore channels and configuration of membrane on the distribution of active site. Secondly, the synergetic effect between supports and poly-metals will be investigated in both prepared multidimensional catalysts and catalytic membrane, especially for those with extra important photo-catalytic performance. The mechanism of dye degradation and kinetics of oxidation reaction for different structural Fenton-like catalysts will be studied, as well as the transfer phenomenon among solution- polymetallic oxides -supports in different target pollutants system. As a result, this research will provide new materials and effective synthetic methods for environmental friendly catalysts and advanced oxidation process in green chemistry.

Fenton催化氧化反应是石油化工和环境治理中极具发展潜力的高级氧化技术。本项目拟采用材料、化学和工程科学基础研究手段，阐释目前未知的多维异相Fenton-like催化剂及催化膜的金属氧化物负载、酸化改性及构效关系等重要科学问题，解决高性能光促Fenton-like催化剂及催化膜制备的关键技术。首先，从Fe基固体酸多元金属氧化物催化剂的酸性位出发，摸索酸化改性对其性能的影响。其次，以金属-有机骨架材料MOFs和多孔TiO2纳米线微球为载体，制备不同结构和功能的负载型异相Fenton催化剂，同时，制备兼有催化氧化和分离特性的Fenton功能型MOF催化膜，研究其材料合成工艺、载体及孔道结构与催化剂活性位分布之间的关联。最后，进行目标污染物降解机理、反应动力学和催化剂稳定性研究，探讨溶液-金属氧化物-载体间的传递现象及材料学问题，为绿色环保催化剂和高效催化氧化工艺提供新材料和新方法。

本项目围绕多维度新型异相Fenton-like催化剂及催化膜材料的设计、合成与性能等催化剂及催化膜的结构和功能化设计、材料合成及其性能等基础问题开展了探索性科学研究，对多维结构催化剂中载体与金属之间的相互作用及光促协同效应等进行了分析，结合催化剂在难降解目标污染物体系中降解机理和反应动力学研究，探讨了溶液-金属氧化物-载体间的传递现象及相关材料学，为绿色环保催化剂和高级氧化工艺提供了新材料和新方法。首先，在多孔材料制备化学与材料学基础方面，选取多种结构和表面特性的多维材料为研究对象，研究了合成工艺、参数及前驱体对多孔材料形貌和尺寸的影响规律，研究了晶体在合成过程中成核和生长动力学，分析了多孔材料形貌与粒度调控机制及演变机理；通过宏观性能评价，探索了材料结构特性调控对吸附催化活性的影响，实现了高性能多孔材料的可控制备。其次，在多维Fenton催化剂及膜材料功能化设计方面，以具有光催化性能的丰富孔道结构和表面特性的金属有机骨架材料、TiO2系列材料、磺酸功能化介孔二氧化硅微球、分子筛及碳基复合材料为载体，通过自制工艺制备了新型负载型Fenton催化剂；进行了高性能连续MOF膜的制备，以有机膜为基质，通过界面化学修饰、溶胶-凝胶涂覆、纳米共混及非活化阵列构筑等手段增强成核位点和化学稳定性，创新性地开发设计了转化MOF膜及超薄MOF膜；研究了功能载体结构特性对负载纳米颗粒物形貌、分布及光催化性能的影响，分析了孔道内的传质机制，建立了相应反应动力学方程，探索了光诱导电子传递和表面活性位对羟基自由基产生速率的影响和作用机理。最后，在催化剂构效关系及分子设计原理方面，研究了Fenton催化剂及膜材料中载体、活性位点以及功能基团之间的协同效应，提出了利用载体作用提高催化剂活性和稳定性的具体方法和策略，包括将活性组分担载、封装在介孔ZSM-5及多级孔结构中空微胶囊、有机物修饰及金属复合等，提高了催化剂稳定性，获得了高活性和高稳定性的类Fenton催化剂。