磁性石墨烯负载金属催化剂的制备及加氢脱氯机理研究

Chlorinated organic compounds such as chlorinated phenols are hazardous to the environment as persistent contaminants. Catalytic hydrodechlorination is an effective way to deal with such pollutants. Due to its excellent properties, the synthesis of graphene composites has already aroused researcher's enormous interest in recent years. This project aims to prepare noble metal modified magnetic graphene composites, and use the materials as catalysts for catalytic degradation of organic wastewater containing chlorinated phenols. The graphene-based magnetic composites supported precious metal catalyst has the unique physical and chemical properties, such as strong adsorption capability, large surface area, and high specific surface energy, superparamagnetic and high catalytic activity. .A composite of graphene decorated with iron oxide was firstly fabricated via a solvothermal method using ethylene glycol as the solvent. The effect of reaction parameters on the morphology and texture of as-obtained products will be investigated. Appropriate size, high dispersion and uniform magnetic composite are expected to be obtained. And the precious metals (Pt, Pd, and Rh) loading on the magnetic carriers will be investigated as catalysts for the catalytic degradation of organic wastewater containing chlorinated phenols. The reaction mechanism also will be studied. The present project has the original innovation, and the experimental results will extend the application of this new type of two-dimensional carbon material in the field of environmental protection. The catalytic degradation of chlorinated phenols over graphene/iron oxide composites supported noble metals catalysts is a very good example for the treatment of organic wastewater. This green and environmentally friendly way has great significance for solving China's increasingly serious organic wastewater pollution problems, showing good prospects for practical application.

氯代苯酚类有机物是危害环境的顽固污染物，催化降解是处理这类污染物的有效途径。本项目拟研究石墨烯/四氧化三铁复合载体负载贵金属(Pt、Pd、Rh等)催化剂制备的方法、技术和原理，以期获得性能优良的新型催化剂，并运用于催化降解处理废水中氯代苯酚类等有机污染物，系统地研究其作用机理。以石墨烯基磁性复合材料作为载体负载纳米金属催化剂，可充分发挥石墨烯的强吸附、巨大比表面积和高比表面能的性能，凸显金属纳米粒子高催化活性等特性。同时由于磁性材料的超顺磁性，外加磁场作用下实现催化剂和反应液分离，有利于催化剂回收及重复使用，因而是降解有机污染物性能优异的"绿色"催化剂。项目创新地制备新型催化剂并研究其实际应用，为处理有机废水提供新的"绿色"的方法，扩展了石墨烯这一新型二维碳材料在环境保护领域的应用，丰富了催化学科理论和内容，对解决日益严重的有机污染废水问题有十分重要的实际意义和广阔的应用前景。

氯代苯酚类化合物是一类非常重要的化工原料，被广泛用于染料、防腐剂、除草剂和杀虫剂等的生产。这类化合物化学稳定性强，在环境中难以生物降解，工农业生产上的大量使用对环境造成了严重污染。多相催化加氢脱氯被认为是简单、安全、有效、有开发前景的脱氯方法。目前，该研究领域主要存在的问题是催化剂稳定性不高和需要加入大量的添加剂碱。因此研究开发高效、稳定的贵金属催化剂具有重要意义。.本项目主要研究内容：项目详细的研究了石墨烯和磁性石墨烯负载贵金属催化剂催化氯代苯酚加氢脱氯性能。通过相关表征获得了催化剂组成、形貌、结构和与催化剂活性的关系。项目主要研究了溶剂与催化剂活性与选择性的变化关系、底物分子的空间位阻、电子因素变化与催化性能的关系。此外，还探索分子氢活化、氢物种转移以及载体表面结构和溶剂水与反应物和生成物相互作用的信息。最后，结合有关催化剂的表征结果以及催化实验结果，提出了反应机理。. 本项目获得的重要结果及关键数据如下：（1）在贵金属组分筛查中，Rh和Pd负载于石墨烯表面显示了最优的催化性能。其中，负载Pd催化剂催化4-氯苯酚产物主要为苯酚；而负载Rh催化剂可以完全得到苯酚的进一步加氢产物环己酮和环己醇。（2）载体与金属的相互作用是提高催化剂活性和稳定性的重要原因之一。由于石墨烯载体表面仍然存在电负性较强的氧，导致所制备的贵金属组分以零价和低价氧化态共存，这对提高催化剂活性和稳定性有重要影响。（3）可能的催化反应机理是首先氯代苯酚加氢脱氯产生苯酚，然后进一步加氢生成环己酮和环己醇。（4）在溶剂热法合成磁性石墨烯过程中反应物和溶剂的配比、氧化石墨与Fe3O4的比例、溶剂热条件对石墨烯/四氧化三铁复合材料的形貌、分布均匀性的均匀较大影响。最佳条件为：氧化石墨与Fe3O4的比例为1：3，溶剂为二乙二醇，溶剂热温度为200℃和时间为6小时。所制备磁性石墨烯负载Pd对氯代苯酚脱氯显示了最优的催化性能。. 本项目的重要意义在于通过对石墨烯/四氧化三铁负载贵金属催化剂在水体系中对氯代苯酚类化合物的催化加氢脱氯的系统研究，揭示了催化剂活性中心、载体表面结构、溶剂水对分子氢、氯代苯酚相互作用的关系，获得了该体系对氯代苯酚加氢脱氯具有高催化活性的原因；提出该催化体系中相关活化机理，为解决氯代苯酚类污染废水高效率高活性加氢脱氯奠定了理论基础。