微波辅助合成介孔 Mgo@Carbon 杂化纳米复合材料增强对氧毒素的催化降解
- 引言
纳米材料因其独特的结构和性质而受到越来越多的关注。其中，金属氧化物纳米颗粒广泛应用于能源存储、催化、电化学、润滑、传感器、涂层和环境修复等各个领域[1]。与传统去除有机污染物的材料相比，金属氧化物纳米材料和复合材料由于其多个活性位点和高比表面积，具有更好的吸附和降解能力。作为环境修复的有效候选材料，MgO及其复合材料因其在去除废水中的阿莫西林[2]和具有更高吸附容量的染料[3 - 6]方面的广泛应用前景而得到了广泛的研究。
作为一种有机磷农药和VX的模拟化学神经毒剂，对氧磷毒素在许多研究中被用作探针分子，以探索如何进行解毒，同时环境修复也越来越受到关注[7]。各种金属氧化物纳米颗粒已被报道为对氧磷的去污吸附剂，如TiO2 [8,9]、MgO [10 - 12]、CaO [13]、ZnO [14]、Al2O3 [15,16]、MnO2 [17]和CeO2 [18]。其中，MgO是一种相对廉价、安全、高效且易于获得的吸附剂，可用于溶液中重金属离子、有机染料、氟化物和磷酸盐的吸附[19]。MgO纳米晶体表面的超氧自由基（⋅O2 - ）和羟基自由基（⋅OH）与对氧磷在室温下发生解离化学吸附反应。该过程涉及P - O键的断裂和所得分子片段的固定，将对氧磷分解为 - O - C6H4NO2、 - OEt和 - PO4基团，并共轭到MgO表面[20]。然而，由于其高活性和易团聚，制备小尺寸的MgO纳米颗粒始终具有挑战性。一般来说，纳米颗粒的尺寸越小，其比表面积越大。因此，它可以提供更多的活性位点来提高其内在的吸附和降解性能。到目前为止，已经探索了各种方法来获得MgO纳米颗粒，如溶胶 - 凝胶法、化学沉淀法、水热法、溶剂热法、热分解法、化学气相沉积法、微乳液法和超声法[1,21 - 24,29]。以不同方式制备的MgO纳米颗粒的粒径和形态具有不同的性质。
在这些方法中，水热法通常用于合成不同形状的分级MgO纳米结构[25,26]。然而，这些方法通常需要相对较高的水热温度（即180 - 265℃）和较长的孵育时间（即4 - 6小时）[27]，由于高能耗，对环境产生严重的不利影响。作为一种高效的绿色方法，微波辅助辐射可用于克服这些问题，由于其更快的加热速率、更高的能量效率、更容易控制和更高的安全性，可促进水热反应进行体相加热[28]。
作为一种传统的吸附剂，活性炭表现出良好的吸附能力。然而，其饱和容量有限，并且由于物理吸附过程，吸收的毒物分子容易解离，导致二次污染或伤害[30,31]。但很少有研究关注用于环境修复的MgO/碳纳米复合材料的杂化制备[6,32]。在此，我们应用微波辅助水热法一锅合成了分级MgO掺杂碳纳米复合材料（MgO@C），以探索其对对氧磷毒素的降解性能。此外，作为一种宽带隙半导体，MgO由于表面存在丰富的结构缺陷和表面活性位点，在光激发下可以产生光生电子 - 空穴对，然后表现出光催化性能。
首先，在温和条件下，由甲醇镁在甲苯/水相中水解过夜制备水合Mg(OH)2。然后加入三亚甲基二醇（TEG）作为碳源和极性分子，在程序控制的微波辐射下促进加热条件，形成Mg(OH)2 - TEG前驱体。最后，在N2气氛下，在不同煅烧温度下将Mg(OH)2 - TEG前驱体分解形成MgO纳米颗粒和无定形碳，得到系列MgO@C纳米复合材料。此外，研究了所制备的MgO@C纳米复合材料的组成、形态及其对对氧磷降解的性能、动力学和机理。此外，特定的MgO@C样品在对氧磷降解方面表现出显著的光热增强效应。由于其相对较小的粒径、较大的比表面积和丰富的超氧自由基（⋅O2 - ）位点，这种MgO@C可能是一种有效的有机磷毒素去除吸附剂。 - 实验部分
2.1. 材料和方法
商业MgO（20nm）购自南京先丰纳米材料科技有限公司。甲醇镁（Mg (OCH3)2，7 - 8wt%）、活性炭粉（≥100目）、正庚烷（色谱级）和氯化硝基四氮唑蓝（NBT，98%）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。对氧磷（AR）购自天津瑞宝信科技有限公司。Nafion膜溶液（5%）购自上海和森电气有限公司。甲苯（AR）、无水乙醇（AR）和三亚甲基二醇（AR）购自天津大茂化学试剂厂。去离子水（18.0MΩcm）在实验室新鲜制备。羟基自由基清除能力测试试剂盒购自北京索莱宝科技有限公司。
微波辅助加热阶段使用的仪器是多功能微波化学合成仪（XH - 300UP，北京祥鹄科技发展有限公司）。燃烧阶段使用的真空/气氛管式炉是SK - G05143（天津中环实验电炉有限公司）
