摘要
过氧化氢（H2O2）作为绿色廉价的供氧体在化工领域得到广泛应用。H2O2的合成需求及使用后残留处理是大规模安全应用的关键。然而目前光催化H2O2的主要合成方法以及高效定向转化机制尚不清楚。本论文中借助碳材料改性策略，制备苯酐改性的氮化碳应用于光催化合成H2O2反应；制备碳基材料负载MnOx和Mn-N的双位点催化剂用于高效H2O2分解；制备包覆钴金属的石墨烯材料应用于强酸性H2O2分解领域。主要研究如下： 通过二次煅烧实现苯酐配体在氮化碳上的杂化（CN-PA），应用于光催化合成H2O2反应。CH3CH2OH作为一种常用的牺牲剂提供H+促进反应进行。经过一系列结构形貌及光电化学测试，证明了CN-PA材料的优异光催化性能。随后探寻了最优的催化材料为CN-PA-5及最佳反应条件：以蓝色LED灯为光源，CH3CH2OH作为牺牲剂反应。光催化合成H2O2产率可达2.2mmol/g/h。与普遍报道相比，催化剂便宜易得，反应所需催化剂用量少且在短时间内能维持较高产率。 残留H2O2容易引发爆炸，因此构建Mn-N及MnOx双位点的碳基Mn材料（MnOx/Mn-N/C）将H2O2分解为O2。通过浸渍及煅烧法制备的MnOx/Mn-N/C分解H2O2活性优于无金属掺杂的催化剂（urea-CN）。本章探索了最佳的Mn物种掺杂量及反应条件，MnOx/Mn-N/C-12在pH3.5-4.5的酸性H2O2溶液中重复反应5次后转化率保持在88%以上。根据猝灭实验和表征推测了双位点共同作用下的H2O2分解反应机理。本章催化剂较一般报道成本低廉，且维持了相对较好的分解率。 为了解决酸性条件下H2O2的高效分解以及催化剂金属流失问题，构建CoN4石墨烯封装金属钴“铠甲型”催化剂。通过水热和热解处理自组装CoN4石墨烯封装钴催化剂（Co@C-N）。CoN4石墨烯结构保护Co0不受酸腐蚀，而Co0促进CoN4将强酸性低浓度H2O2溶液高效分解为O2。该催化剂重复反应5次后转化率依旧保持100%。O2析出达到99.67%，·OH的生成被大大抑制，仅为0.076%，避免了深度氧化。对催化机理进行合理推测，证明高价Co=O在H2O2分解中的重要作用，为强酸下分解H2O2提供思路。
NETL