酰胺类衍生物构建的超分子金属凝胶及其催化应用

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纳米材料因其尺寸较小、具有较大的比表面积及独特的性能,广泛地运用于能源、医疗、催化、传感等领域。超分子金属凝胶是由含有金属的有机小分子自组装或具有配位基团的小分子与金属离子共同组装形成的三维网络,从而固定溶剂,是一类具有广泛前景的软物质材料。利用有机小分子的配位作用可以把金属离子分散在凝胶的内部,得到的凝胶材料具有较大的分散度、稳定性强等特点,使其在催化应用方面展现了高的催化效率。本文以铁离子与有机小分子形成的超分子金属凝胶为前驱体,进而制备出一系列含有γ-Fe2O3纳米粒子的复合催化材料,并探究了其在催化芳硝基类化合物还原的催化活性。具体研究如下:(1)以N4,N4’-二(吡啶-3-基)-[2,2’-联吡啶]-4,4’-二甲基酰胺(2BN3)和Fe(NO3)3为原料,合成了一种新颖的金属凝胶(Fe(III)-2BN3)。根据IR光谱和PXRD结果分析,对比凝胶剂分子结构,推断了Fe(III)-2BN3中凝胶剂微观自组装方式,分子间的氢键和Fe3+的配位作用是凝胶形成的主要驱动力。流变学测定表明得到的超分子凝胶具有良好的力学性能和热可逆性。(2)通过Fe(NO3)3与2BN3制备了金属凝胶Fe(III)-2BN3,并以Fe(III)-2BN3为前驱体,在N2气氛下高温炭化制备了γ-Fe2O3-Fe/C介孔碳催化剂。用对氯硝基苯作底物,对得到的催化剂催化水合肼还原对氯硝基苯为对氯苯酚的性能进行评估,得到了最佳催化性能γ-Fe2O3纳米复合材料催化剂制备条件。表征结果表明,最佳条件制备的催化剂中γ-Fe2O3和Fe纳米粒子(NPs)均匀分布在三维碳结构中,平均粒径约为15 nm。当以水合肼为还原剂时,所制得的γ-Fe2O3-Fe/C催化材料对含不同官能团芳硝基化合物还原成相应苯胺具有较高的活性和选择性,目标产物收率接近100%。实验制备的γ-Fe2O3-Fe/C催化材料具有磁性而便于回收重复利用,循环使用5次后仍然保持非常好的催化活性。(3)以N,N’,N”-三(3-吡啶)均苯三甲酸酰胺和Fe(NO3)3为原料制备成金属凝胶,通过热解制备的金属干凝胶得到一种新型的γ-Fe2O3纳米复合材料。用对硝基苯酚作底物,对得到的催化剂催化硼氢化钠还原对硝基苯酚为对氨基苯酚的性能进行评估,得到了最佳催化性能γ-Fe2O3纳米复合材料催化剂制备条件。利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术对合成的最佳催化性能复合材料的结构和成分进行了表征。
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