阶层多孔材料的制备机理及应用研究

论文摘要

阶层多孔材料（Hierarchically porous materials）是一种孔尺寸呈梯度分布的多孔材料,其孔结构上同时分布有大孔、介孔和微孔,构成独特的梯度多孔结构,并拥有优越的孔表面特性以及块体状的外观形貌,有望克服目前粉末、薄膜状多孔材料存在的孔径分布单一、物质快速输送与高表面活性不兼容、多孔材料使用不方便等诸多问题,并在分离、吸附、过滤、催化等重要领域展现出广阔的应用前景,已成为多孔材料的研究热点。本文在综合论述阶层多孔材料研究现状的基础上,首先系统研究了竹炭的炭化、二次活化及光催化材料改性等,分析了炭化工艺、二次活化参数、负载光催化材料对竹炭孔道结构、孔表面特性、吸附功能的影响机制,制备出兼具品字形直通大孔、细胞壁上分布介孔和微孔的阶层多孔竹炭材料。然而,受竹材物质特性的限制,阶层多孔竹炭存在大孔非三维连续贯通、微孔及介孔数量不易控制的缺点。为此,课题进一步开展三维连续贯通的阶层多孔材料制备的研究。选取无机化合物磷酸铝（AIPO4）和二氧化钛（TiO2）为研究对象,采用溶胶-凝胶伴随相分离制备AIPO4和TiO2阶层多孔材料,分析了相分离诱导剂、溶剂、凝胶促进剂对两个系统的溶胶-凝胶转化与相分离过程的影响特征,揭示溶胶-凝胶转化与相分离协同控制机制,制备出三维贯通大孔、骨架上分布介孔和微孔、外观呈块体形状的AIPO4和TiO2阶层多孔材料,并实现大孔孔径尺寸、微孔及介孔数量等孔结构及表面特性可控；课题的研究为阶层多孔材料在多功能长效吸附、高效负载催化、高效液相色谱等领域的应用拓展奠定重要基础。论文的创新点在于：（1）开展了竹炭的二次活化和光催化材料改性制备阶层多孔竹炭研究,不仅提高了品字形大孔孔径,增加了细胞壁上的介孔和微孔的数量,而且借助光催化材料实现大孔孔道重构,使竹炭比表面积高达767m2/g；（2）开展了溶胶-凝胶伴随相分离制备阶层多孔A1P04材料研究,借助环氧丙烷（PO）不可逆开环反应快速增加体系pH实现溶胶-凝胶转化,以及聚氧化乙烯（PEO）诱导体系发生Spinodal相分离,得到Φ1.5cm×1cm的三维连续贯通AIPO4阶层多孔块体材料,其大孔尺寸约2～5μm,介孔约10～12nm,经水热处理后多孔材料的比表面积达到282m2/g；（3）以廉价工业试剂TiOSO4为原料,乙二醇为螯合剂,甲酰胺为凝胶促进剂,通过溶胶-凝胶转化及相分离的协同控制,制备得到三维贯通多孔结构Φ1.3cm×0.8cm的TiO2阶层多孔块体材料,其大孔尺寸约1～5μm,介孔约3～4nm,其比表面积达228m2/g,为低成本制备阶层多孔Ti02块体材料提供重要参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 阶层多孔材料的研究现状
• 1.1.1 阶层多孔材料的特点
• 1.1.2 阶层多孔材料的制备技术
• 1.1.3 阶层多孔材料的应用
• 1.1.4 阶层多孔材料的研究现状
• 1.2 多孔竹炭材料的研究及应用现状
• 1.2.1 多孔竹炭的基本特性
• 1.2.2 多孔竹炭的应用现状
• 1.2.3 多孔竹炭的研究进展
• 1.3 溶胶凝胶伴随相分离法制备阶层多孔块体材料
• 1.3.1 溶胶凝胶过程中的聚合物诱导相分离的原理
• 1.3.2 相分离过程中Spinodal分解机理及结构演化
• 1.3.3 阶层多孔块体材料的宏孔与介孔控制
• 1.3.4 阶层多孔块体材料的应用
• 1.4 课题立题依据
• 第二章 材料及其研究方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 扫描电镜
• 2.2.2 透射电镜
• 2.2.3 物相分析
• 2.2.4 小角度衍射
• 2.2.5 差热和热重分析
• 2.2.6 比表面积
• 2.2.7 动态pH值测试
• 2.2.8 远红外辐射率
• 2.2.9 元素分析仪
• 2.2.10 力学性能测试
• 2.2.11 紫外可见分光光度计
• 2.2.12 吸水率、显气孔率和体密
• 2凝胶负载研究'>第三章 多孔竹炭的活化及TiO₂凝胶负载研究
• 3.1 竹材的高温炭化
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 实验内容
• 3.1.3 竹炭得率分析
• 3.1.4 表面电阻分析
• 3.1.5 竹炭孔结构特征分析
• 3.1.6 固定碳含量分析
• 3.1.7 竹炭显微结构分析
• 3.1.8 小角度衍射分析
• 3.2 多孔竹炭的二次活化及吸附机理
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 实验内容
• 3.2.3 KOH用量对竹炭显微结构的影响
• 3.2.4 活化竹炭吸附等温曲线分析
• 3.2.5 活化竹炭吸附等温式模拟
• 3.2.6 活化竹炭吸附动力学分析
• 3.2.7 活化竹炭的孔结构特征分析
• 2凝胶改性竹炭及其光催化性能'>3.3 TiO₂凝胶改性竹炭及其光催化性能
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 实验内容
• 2凝胶晶型的影响'>3.3.3 温度对TiO₂凝胶晶型的影响
• 2凝胶显微结构特征'>3.3.4 多孔竹炭负载TiO₂凝胶显微结构特征
• 2凝胶改性竹炭的吸附及光催化'>3.3.5 TiO₂凝胶改性竹炭的吸附及光催化
• 3.4 本章小结
• 4多孔块体材料'>第四章 溶胶凝胶伴随相分离制备AlPO₄多孔块体材料
• 4.1 前言
• 4.2 实验内容
• 4.2.1 实验过程
• 4.2.2 实验配方
• 4.2.3 实验步骤
• 4.2.4 水热处理
• 4溶胶凝胶过程机理分析'>4.3 AlPO₄溶胶凝胶过程机理分析
• 4微观形貌结构分析'>4.4 多孔块体AlPO₄微观形貌结构分析
• 4.4.1 PEO对形貌结构的影响
• 4.4.2 PO对形貌结构的影响
• 4.5 热处理对晶型及形貌结构的影响
• 4晶型的分析'>4.5.1 温度对AlPO₄晶型的分析
• 4形貌结构的影响'>4.5.2 温度对AlPO₄形貌结构的影响
• 4孔结构特征分析'>4.6 热处理前后AlPO₄孔结构特征分析
• 4形貌结构的影响'>4.7 水热处理对AlPO₄形貌结构的影响
• 4.8 水热处理后的孔结构特征分析
• 4相分离机制分析'>4.9 AlPO₄相分离机制分析
• 4.10 本章小结
• 4制备TiO₂多孔块体材料研究'>第五章 工业原料TiOSO₄制备TiO₂多孔块体材料研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验内容
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 实验配方
• 5.2.3 实验步骤
• 2多孔块体微观形貌结构分析'>5.3 TiO₂多孔块体微观形貌结构分析
• 5.3.1 PVP对形貌结构的影响
• 5.3.2 FA对形貌结构的影响
• 2O对形貌结构的影响'>5.3.3 H₂O对形貌结构的影响
• 5.3.4 EG对形貌结构的影响
• 2溶胶-凝胶机理分析'>5.4 TiO₂溶胶-凝胶机理分析
• 2多孔块体材料的热处理'>5.5 TiO₂多孔块体材料的热处理
• 5.6 等温吸附曲线分析
• 2相分离机制分析'>5.7 TiO₂相分离机制分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 多孔竹炭在绿色建材中的应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 多孔竹炭/无机矿物复合材料的制备研究
• 6.2.1 多孔竹炭/硅藻土复合材料的制备
• 6.2.2 多孔竹炭/粉煤灰复合材料的制备
• 6.2.3 多孔竹炭/黄金尾矿复合材料的制备
• 6.3 本章小节
• 第七章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果