介孔金属氧化物的制备及性能研究

论文摘要

介孔材料具有结构规整、孔径分布单一而在一定范围内可调、很高的比表面积和孔容,通过改变合成参数又能调整宏观形貌（如膜、纤维、球等）等特点,在大分子分离、生物传感器、催化、吸附、微电子、燃料电池、电池、电化学电容器、光学、磁学以及新型材料的制备等领域展示了诱人的前景。介孔材料的制备、结构和特性的研究已成为当今国际上的一个研究热点。本文选取极具应用前景的金属氧化物为研究对象,探讨了金属氧化物介孔材料的合成及作为催化剂载体和吸附剂的应用。主要研究内容如下：（1）以异丙醇铝为铝源,P123为模板剂,采用HCl作为酸调节剂,成功制备了高度有序介孔氧化铝OMA,突破了以往Cl-离子抑制有序介孔形成的难题；以无机铝源（硝酸铝和氯化铝）替代有机铝,介孔材料形貌由不规则向规则球形的演化,获得了六方孔道的球形介孔氧化铝,成功实现了对介孔氧化铝孔道结构和形貌的可控合成；通过掺入稀土La和Ce,延迟了高度有序介孔氧化铝OMA晶化反应的发生,明显提高了无定形结构的热稳定性,且La的效果比Ce好。（2）采用减压浸渍法将钒氧化物分散于有序介孔孔道结构中,获得了两种高度有序的钒基催化剂V2O5/OMA和NH4VO3/OMA,当钒负载量为2.39wt%时,其在丙烷催化氧化脱氢制丙烯反应中丙烷的转化率高达37.74%,丙烯选择性高达75.20%；采用原位合成法制备了高度有序介孔结构镍基催化剂Ni-OMA,比表面积高达173.7 m2.g-1,镍负载量为3.84wt%时,在催化反应中丙烷转化率达27.95%,丙烯选择性高达86.49%。与文献报道的介孔氧化硅、介孔TiO2及介孔ZrO2等作催化剂载体相比,有序介孔氧化铝作为催化剂载体具有更高的丙烷转化率和丙烯产率。（3）将有序介孔材料OMA用于有机偶氮染料（铬黑T）的去除实验中,室温下吸附量高达313.62 mg/g,当铬黑T浓度低于34.62 mg/L时,OMA用量为10 mg时,对铬黑T的去除率可以达到100%。球形介孔材料Al（NO3）3-MA作为吸附剂时,吸附量高达307.75mg/g,当铬黑T浓度低于28.01 mg/L时,Al（NO3）3-MA用量为10 mg时,对铬黑T的去除率可以达到100%。实验结果表明,介孔氧化铝对有机偶氮染料的吸附效果十分明显,其吸附行为符合二级吸附动力学,吸附等温线符合Langmuir等温式,且球形介孔材料Al（NO3）3-MA具有优良的再生吸附性能。（4）采用介孔氧化硅KIT-6为硬模板,经高温晶化制备了锰酸锂与氧化硅的复合结构,然后去除氧化硅模板,成功实现了高度晶化有序介孔尖晶石型锰酸锂的制备,突破了高温晶化导致介孔结构坍塌的关键难题,发展了一种普适性制备高度晶化有序介孔材料的新方法。该方法合成的介孔锰酸锂完全复型了KIT-6模板的典型六方排列的有序介孔孔道结构,其比表面积达68.02m2·g-1,平均孔径为8.35 nm,是一种极富应用前景的锂离子电池正极材料。在介孔锰镍氧化物和介孔锰钻氧化物中分别引入锂,制备了具有规则介孔孔道结构的介孔锂锰镍氧化物和锂锰钴氧化物,比表面积分别高达142.59 m2·g-1和105.0 m2·g-1,这两种锂锰系介孔材料目前尚未见文献报道,基于其规则有序的孔道结构和高度晶化的孔壁,使其在锂离子电池正极材料方面的应用具有非常广阔的前景。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 介孔材料概述
• 1.1.1 介孔材料的定义
• 1.1.2 介孔材料的分类
• 1.2 介孔材料的合成
• 1.2.1 介孔材料合成机理
• 1.2.2 介孔材料合成方法
• 1.2.3 介孔材料的功能化
• 1.3 介孔材料的应用
• 1.3.1 在催化方面的应用
• 1.3.2 在吸附分离方面的应用
• 1.3.3 在能源方面的应用
• 1.3.4 在纳米器件及功能材料方面的应用
• 1.4 介孔金属氧化物研究进展
• 1.4.1 非硅基介孔材料研究进展
• 1.4.2 介孔氧化铝研究现状
• 1.4.3 介孔锰氧化物研究现状
• 1.5 本课题研究意义及主要研究内容
• 第二章 介孔氧化铝的制备及表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂及仪器
• 2.2.2 溶胶-凝胶合成介孔氧化铝
• 2.2.3 样品表征测试
• 2.3 有序介孔氧化铝（OMA）的制备与表征
• 2.3.1 XRD表征
• 2.3.2 TEM表征
• 2吸附-脱附表征'>2.3.3 N₂吸附-脱附表征
• 2.3.4 TG-DSC表征
• 2.4 球形介孔氧化铝的制备与表征
• 2.4.1 XRD表征
• 2.4.2 SEM表征
• 2.4.3 TEM表征
• 2吸附-脱附表征'>2.4.4 N₂吸附-脱附表征
• 2.5 稀土掺杂提高OMA热稳定性研究
• 2.5.1 XRD表征
• 2.5.2 TEM表征
• 2吸附-脱附表征'>2.5.3 N₂吸附-脱附表征
• 2.5.4 TG-DSC表征
• 2.6 本章小结
• 第三章 负载Ni/V介孔氧化铝制备表征及催化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂及仪器
• 3.2.2 V和Ni在OMA上的组装
• 3.2.3 样品表征测试
• 3.3 负载V介孔氧化铝的制备与表征
• 3.3.1 XRD表征
• 3.3.2 TEM表征
• 2吸附-脱附表征'>3.3.3 N₂吸附-脱附表征
• 3.4 负载Ni介孔氧化铝的制备与表征
• 3.4.1 XRD表征
• 3.4.2 TEM表征
• 2吸附-脱附表征'>3.4.3 N₂吸附-脱附表征
• 3.5 催化剂在丙烷氧化脱氢制丙烯中反应结果及性能评价
• 3.6 本章小结
• 第四章 介孔氧化铝吸附性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂及仪器
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 有序介孔氧化铝（OMA）对铬黑T的吸附性能研究
• 4.3.1 OMA对铬黑T的吸附速率曲线
• 4.3.2 OMA对铬黑T的吸附等温线
• 4.3.3 OMA用量对铬黑T的吸附量的影响
• 3）₃-MA对铬黑T的吸附性能研究'>4.4 Al（NO₃）₃-MA对铬黑T的吸附性能研究
• 3）₃-MA对铬黑T的吸附等温线'>4.4.2 Al（NO₃）₃-MA对铬黑T的吸附等温线
• 3）₃-MA用量对铬黑T的吸附量的影响'>4.4.3 Al（NO₃）₃-MA用量对铬黑T的吸附量的影响
• 3）₃-MA再生性能研究'>4.4.4 Al（NO₃）₃-MA再生性能研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 介孔锂锰系列氧化物的合成与表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂及仪器
• 5.2.2 介孔二氧化硅KIT-6的合成
• 5.2.3 介孔锰氧化物的合成
• 5.2.4 样品表征测试
• 5.3 介孔锂锰氧的表征
• 5.3.1 XRD表征
• 5.3.2 TEM表征
• 2吸附-脱附表征'>5.3.3 N₂吸附-脱附表征
• 5.4 介孔锂锰镍氧的表征
• 5.4.1 XRD表征
• 5.4.2 TEM表征
• 2吸附-脱附表征'>5.4.3 N₂吸附-脱附表征
• 5.5 介孔锂锰钴氧的表征
• 5.5.1 XRD表征
• 5.5.2 TEM表征
• 2吸附-脱附表征'>5.5.3 N₂吸附-脱附表征
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献