核能利用的过程中, 从铀矿开采、核燃料加工、核能发电到乏燃料后处理, 会产生大量放射性废物, 部分放射性核素会不可避免的释放到环境中, 对环境和人类健康造成重大危害。放射性核素的高效去除是核电健康发展的重要关键科学问题之一。近年来, 高化学稳定性、具有大量功能基团而且结构可调的多孔金属有机骨架材料(MOFs)在放射性污染治理方面受到国内外同行的高度关注。本文系统地介绍了MOFs及MOFs复合材料在放射性核素吸附去除方面的研究进展, 通过宏观吸附、模型分析、先进光谱表征和理论计算四个方面描述放射性核素与MOFs材料的界面作用机理, 并对MOFs材料的吸附性能与其它材料进行对比, 评价MOFs材料在放射性污染治理中的应用前景。

沸石由于特殊的离子交换性, 丰富的酸性位以及较高的水热稳定性, 被广泛地应用于工业催化和分离吸附等领域。但是由于其较小的微孔尺寸(< 1.5 nm), 在一些大分子参与的催化反应中受到极大的限制。多级孔沸石在保留传统沸石晶化骨架、酸性位以及高水热稳定性的同时引入了多级孔结构, 可极大改善分子的扩散和传质, 减少积碳, 延长催化剂的使用寿命, 使其在催化领域获得更为广泛的应用。本文系统综述了多级孔沸石在孔结构调控方面的研究进展, 着重介绍了无序介孔/大孔结构的多级孔沸石、有序介孔结构的多级孔沸石、取向排列的双介孔结构多级孔沸石、空心结构的多级孔沸石、集大孔-介孔-微孔为一体的多级孔沸石等的合成策略与机理以及结构表征。概述了多级孔沸石在催化领域中的应用进展; 通过与传统沸石和无定型介孔材料的对比, 这种新型的多级孔沸石展现出独特的优势。最后, 对未来多级孔沸石的发展与应用潜力进行了展望。

采用水热法合成金属-有机骨架材料NH₂-MIL-125, 并修饰硫化钼量子点, 从而构筑具有增强电荷分离的二硫化钼量子点/NH₂-MIL-125复合光催化材料(MoS₂ QDs/NH₂-MIL-125)。利用XRD、HRTEM、DRS、PL对材料性能进行分析, 通过降解甲基橙MO染料测试MoS₂ QDs/NH₂-MIL-125复合材料的光催化性能。结果表明：尺寸约 4 nm的MoS₂ QDs均匀分散在NH₂-MIL-125上, 在可见光照射下, MoS₂ QDs/NH₂-MIL-125复合材料的光催化性能极大优于单一的Bulk MoS₂和NH₂-MIL-125, 降解常数分别是它们的5.8和7.4倍。循环光催化实验结果表明, MoS₂ QDs/NH₂-MIL-125复合材料的光催化能力具有良好的稳定性。DRS和PL的测试结果表明, MoS₂ QDs/NH₂-MIL-125复合材料优异的可见光催化性能主要归因于异质结构的形成, 抑制了光生电子-空穴的复合, 进而提高了光催化性能。

首先利用F127作为软模板, 采用蒸汽辅助晶化法合成出具有一定介孔结构的多级孔ZSM-5分子筛, 然后采用等体积浸渍法负载铂, 成功制备了载铂的多级孔ZSM-5分子筛催化剂。利用X射线衍射(XRD)、氮气吸附等温线(N₂ isotherm)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对制备的催化剂进行了表征, 并将催化剂用于邻二甲苯的吸附和催化燃烧反应, 最后考察了催化剂“吸附-催化燃烧”循环脱除邻二甲苯的性能。结果表明, 与传统ZSM-5分子筛相比, 多级孔ZSM-5分子筛结晶度略有下降, 但是介孔度和孔体积明显提升。介孔结构与微孔结构并存, 极大提升了多级孔ZSM-5分子筛对邻二甲苯的吸附能力, 其饱和吸附量达到了传统ZSM-5分子筛的约8倍。此外, 介孔结构的存在提高了铂的分散度, 使得载铂多级孔ZSM-5分子筛具有最佳的催化燃烧邻二甲苯性能, 三次“吸附-催化燃烧”循环使用后的吸附容量依然基本保持不变, 并且在催化燃烧过程中无二次污染物生成, 具有较高的吸附容量和循环使用稳定性。

氮氧化物污染已经成为一个严重的环境问题。利用分子筛催化剂进行选择性催化还原(SCR)处理氮氧化物是最有效的方法之一。为了降低现有催化剂的制备成本, 本工作直接利用含有模板剂的分子筛浆料为原料, 通过预处理、离子交换及一次焙烧的方法制备Cu-SAPO-34催化剂。采用XRD、BET、TG、ICP、XPS、SEM、TPR、TPD及NH₃-SCR等对制备的Cu-SAPO-34样品进行表征, 并对离子交换过程中的pH条件进行了优化。研究结果表明: 利用含模板剂的分子筛浆料制备得到催化剂含有2.43% Cu、立方晶型完整、酸性较强以及催化还原性能优秀。在200~450℃下, NO转化率超过80%, 并且在300℃时转化率达到最高97.8%。与使用商品化SAPO-34制备的催化剂相比, 两者具有相似的微观结构和SCR性能。SAPO-34分子筛中少量模板剂的存在对最终制备得到的Cu-SAPO-34催化剂的性能影响很小。因此采用含有模板剂的分子筛浆料制备高效Cu-SAPO-34催化剂是可行的。

膜污染一直是膜分离应用中的主要问题。将不同量的介孔石墨相氮化碳载银(m-g-C₃N₄/Ag)以共混法引入铸膜液中, 通过相转化法制备聚醚砜(PES)纳米复合膜, 系统研究了m-g-C₃N₄/Ag的添加对纳米复合膜形貌、过滤、抗菌、光催化和抗污染性能的影响。结果表明, m-g-C₃N₄/Ag的添加可以改善纳米复合膜的断面结构及表面亲水性。与纯PES膜相比, 纳米复合膜纯水通量随着掺杂量的增加显著提高, 各个样品对蛋白质的截留率均在90%以上, 表明m-g-C₃N₄/Ag的添加在不影响截留性能的前提下, 可以显著提高纳米复合膜的过滤性能。纳米复合膜的抗菌性能随着m-g-C₃N₄/Ag含量的增加而提高, 其中对铜绿假单胞菌的抗菌效果明显高于大肠杆菌。纯PES膜在光照下几乎不发生光降解。相比之下, 所有添加m-g-C₃N₄/Ag的纳米复合膜在可见光照射下均呈现良好的光催化性能, 且光催化活性随着m-g-C₃N₄/Ag的增加而逐渐增强。其中m-g-C₃N₄/Ag添加量最高的纳米复合膜显示出最明显的光催化作用, 在120 min内甲基橙的脱色率可达63%。通过四步过滤实验对所有膜的综合抗污染性能进行表征, 可知所有纳米复合膜通量恢复率均显著高于纯PES膜。水洗和可见光照射后所有膜的膜通量恢复率皆进一步提高。综上所述, 添加m-g-C₃N₄/Ag可以显著提高聚醚砜膜的抗菌性、可见光下光催化降解染料性能, 进而改善其综合抗污染性能。

采用气相生长法在介孔SiO₂球的表面上制备了ϕ 8~10 nm的TiO₂纳米纤维, 采用相同的方法, 还成功地制备了氮掺杂的TiO₂(N-TiO₂) 纳米纤维, 它具有更高的可见光催化活性。采用X射线光电子能谱(XPS)、紫外光电子能谱(UPS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外–可见分光光度计(UV-Vis)、荧光分光光度计(PL)等对样品进行了测试分析。TiO₂纳米纤维具有高结晶度的锐钛矿晶型, 掺氮后的TiO₂纳米纤维带隙变窄, 在可见光波段有明显的吸收, 同时, 光生电子还原能力更强, 大大提高了可见光下催化还原CO₂合成甲醇的产率。在300 W氙灯光照2 h后, 用纯TiO₂纤维催化CO₂合成甲醇, 产率为493.4 μmol•g^-1∙h^-1, 转换频率(TOF) 为0.089 h^-1; 以N-TiO₂为催化剂合成甲醇产率提高了40.1%, 达695.1 μmol∙g^-1∙h^-1, 转换频率(TOF) 提高了40.4%, 为0.125 h^-1。

在光催化研究中, 提高光催化剂的催化效率, 降低催化剂成本吸引了广泛的研究兴趣。本研究通过铝沉积还原方法制备出表面铝原子修饰的蓝色二氧化钛。该蓝色二氧化钛具有一种独特的核壳结构, 纳米颗粒内部为结晶核, 外部为含有大量氧空位和一定量沉积铝原子的非晶层。在模拟太阳光照射下, 该蓝色二氧化钛表现出优异的光催化污染物降解和光电化学性能。在高真空条件下, 当蒸发的金属铝原子沉积在二氧化钛纳米颗粒上时, 可以进一步将Ti⁴⁺还原成Ti³⁺, 使得催化剂表面含有大量的氧空位等表面缺陷。此外, 适量的铝沉积在催化剂表面成为光生载流子阱, 促进光生载流子的分离和输运, 从而使得样品光催化活性增强。当沉积适量Al时, 样品TiO₂-Al_0.36表现出最为优异的光催化污染物降解性能, 在8 min内就可将甲基橙溶液完全降解, 且其光电流(1.47 mA·cm^-2)是本征二氧化钛(0.17 mA·cm^-2)的8倍以上, 展现出优异的光电化学性能。