基于可修饰胶原纤维模板合成一维介孔TiO2基催化剂及构效关系研究

In this proposal, three kinds of hierarchically fibrous and mesoporous TiO2 based nanocatalysts, including TiO2-based photocatalyst, TiO2-based solid acid and TiO2 nano-fiber supported noble metal catalysts, will be synthesized using natural collagen fibers as biotemplate considering its special physicochemical property, spatial structure and high reaction behaviors with metal ions. The chelating reaction properties of common metal ions and noble metal ions with collagen fibers and the effect of grafted tannin on this chelating reaction will be fully investigated, and how to solve the scientific problems about adjusting the morphology, specific surface area, pore volume, and the crystal form and dispersion of metal nano-particels of the TiO2 based nanocatalysts will be also investigated. Thereafter, the catalytic characteristics of these three kinds of catalysts will be evaluated in the reaction of photo catalytic degradation of dyeing wastewater, esterification and hydrogenation, and how to improve the catalytic activity of TiO2-based photocatalyst by building the hierarchical fiber structure and adjusting the compounding was systematically studied to illustrate the structure-property relation. This can provide some directions for controlled template synthesis of new-structure inorganic oxides nanocatalysts. Meanwhile, the deep exploring of practical and high-effective nanocatalysts will be included.

本项目拟以具有天然介孔孔隙和分级纤维形貌的可修饰皮胶原纤维为模板，利用其独特的物化性能、空间结构及与金属离子的高反应活性，调控合成三类具分级结构的纤维态介孔TiO2基纳米催化剂，即:TiO2基纳米光催化剂、TiO2基纳米固体酸催化剂以及TiO2基纳米贵金属催化剂。系统研究皮胶原纤维与普通金属离子及贵金属离子的配位反应特性，单宁接枝改性对胶原纤维配位螯合金属离子的影响规律，解决皮胶原纤维为模板合成TiO2基纳米催化剂的形貌、比表面积、孔隙率、金属纳米粒子的晶型及分散性的调控等关键问题。主要针对这三大类催化剂在光催化反应降解印染废水、酯化反应及加氢反应等领域中的催化特性，从一维纤维态形貌和介孔结构的构建、钛基复合组分的调控及催化性能的改善等方面进行系统研究，阐明钛基催化剂的结构调控及对其性能贡献的构效关系；为其他无机氧化物纳米催化剂的模板合成提供依据，并指导实用化高效纳米催化剂的开发。

传统的生物模板法所用前躯体一般是价格昂贵、有毒的金属醇盐，且大都只能从微米尺度上实现对生物模板的复制，同时关于复制机理的研究报道也很少。针对传统生物模板法存在的上述缺陷及皮革行业生物废弃物的利用现状，鉴于皮胶原纤维是一类来源广泛、价廉易得的天然生物高分子材料，本项目以具有天然介孔孔隙和分级纤维形貌的可修饰皮胶原纤维为模板，利用其独特的物化性能、空间结构及与金属离子的高反应活性，以廉价的无机盐为前躯体，调控合成了一系列多孔功能纳米材料。系统研究了金属阳离子与溶剂及皮胶原纤维表面官能团之间可能的相互作用力的差异，单宁接枝改性对胶原纤维配位螯合金属离子的影响规律，解决了皮胶原纤维为模板合成TiO2基纳米催化剂的形貌、 比表面积、孔隙率、金属纳米粒子的晶型及分散性的调控等关键问题，克服了传统软硬模板剂成本高昂、工艺繁琐、金属盐水解难以控制、高温晶化易坍塌的致命不足；并且运用成熟的鞣制化学理论能 很好地解决传统模板法对金属盐水解难以控制及组装形成的前驱体无机壁薄、热稳定性差 的瓶颈问题。本项目开发的一种利用成熟的皮革鞣制工艺控制无机金属盐缩合水解继而配位结合在胶原纤维上的新方法，实现纳米尺度上的生物模板精确复制，该方法设备简单、操作方便、条件温和且绿色环保，为基于胶原纤维和植物多酚制备特殊微结构的复合纳米功能材料在催化、分离吸附、传感和生物医学等领域开拓了广泛的应用前景，该项目对废弃生物质的高值化转化与利用具有非常重要的示范意义。