复合金属氢氧化物类材料的形貌可控制备及其应用探索

论文摘要

随着材料科学与技术的发展,科学家正在努力探索运用化学或物理的方法来构建具有特定形貌和孔结构的材料,从而可能实现对某些材料的设计,如新型催化剂载体、大分子聚合物分离膜、生物医药材料和药物载体等,最终调控其应用性能。复合金属氢氧化物（LDHs）是一类可人工合成的、具有二维结构的阴离子型层状功能材料,它们由带有正电荷的主体层板、平衡正电荷的层间阴离子客体和部分水分子组成。其层板元素组成和层间阴离子种类可调的特点能够衍生出很多具有不同物理化学特性的功能性组装体,因此有可能作为高性能催化材料、吸附材料、分离材料、功能性助剂材料、生物材料和医药材料等获得应用。目前,在该研究领域的工作中,LDHs类材料通常是以粉体形式使用,这样就会在实际应用过程中（比如作为催化材料、吸附和分离材料等）产生诸如压力降高、传质/传热效率低以及分离困难等问题。因此,关于LDHs类材料的形貌可控制备具有明显的科学意义和实际应用价值。本论文以LDHs类材料的形貌可控制备为目标,重点研究了球形LDHs类材料的制备工艺和球形MgO/MgAl2O4多孔复合材料可控制备及其催化性能。论文首先在无模板存在条件下,采用喷雾干燥工艺制备了球形MgAl-CO3-LDHs材料。SEM、激光粒度和显微图像分析结果表明,产物为实心的球形颗粒,颗粒直径约为10-50μm;压汞法进一步分析表明球形颗粒为多孔材料,比表面积为43 m2/g,总孔容达1.3 cc/g,最可几孔径为87.9 nm。该球形材料在500℃的条件下焙烧8 h和经过焙烧/再水合处理后依然保持着良好球形形貌,表明该球形材料具有较好的结构稳定性。在上述可控制备的基础上,采用喷雾干燥工艺进一步制备出其他组成如NiAl-CO3-LDHs、ZnAl-CO3-LDHs和CuZnAl-CO3-LDHs多孔微球,研究结果表明该方法对制备球形、实心、多孔性LDHs材料具有普适性。最后,以γ-Al2O3为硬模板,在其孔道内原位控制制备得到MgAl-CO3-LDHs,然后以其为前驱体制备出球形MgO/MgAl2O4多孔复合材料。表征了该材料的结构和织构特性,并研究了其催化大豆油与甲醇的酯交换反应的催化性能。研究工作中首先在球形γ-Al2O3（0.5～1.0 mm）孔道内原位控制制备得到MgAl-CO3-LDHs前驱体,然后对其进行焙烧、溶蚀和再焙烧等处理,最终制备出球形MgO/MgAl2O4多孔复合材料。XRD、SEM、TEM和HRTEM表征结果显示,球体的直径为0.5～1.0 mm,该球形复合材料主要由MgO和MgAl2O4组成的纳米棒构成;TEM和低温氮气吸脱附证实球形产物为多孔材料,BET法计算复合材料的比表面积为92.5 m2/g,总孔容为0.65 cc/g,对低温氮气吸脱附等温线的脱附支采用BJH法进行孔径计算表明其最可几孔径为17.4nm;采用CO2-TPD技术进一步研究了MgO/MgAl2O4多孔复合材料的碱性质,并与用传统浸渍法制备的球形MgO/MgAl2O4/γ-Al2O3材料相比较,研究结果表明MgO/MgAl2O4多孔复合材料具有较高的碱性;进一步以大豆油与甲醇的酯交换反应为探针,研究了MgO/MgAl2O4多孔复合材料的催化活性,结果表明MgO/MgAl2O4多孔复合材料催化大豆油酯交换反应10 h后的生物柴油产率为57%,比使用传统浸渍法制备的催化剂提高了20%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无机多孔材料的形貌控制
• 1.2 无机多孔材料
• 1.2.1 多孔材料的概念
• 1.2.2 多孔材料的分类
• 1.2.3 多孔材料的制备方法
• 1.2.3.1 模板法
• 1.2.3.2 无模板法
• 1.2.4 多孔材料的应用
• 1.3 复合金属氢氧化物（LDHs）的研究概况
• 1.3.1 LDHs及其衍生物的概述
• 1.3.2 LDHs的结构及组成
• 1.3.2.1 LDHs的结构
• 1.3.2.2 LDHs的组成
• 1.3.3 LDHs的性质
• 1.3.3.1 酸碱性
• 1.3.3.2 阴离子可交换性
• 1.3.3.3 热稳定性
• 1.3.3.4 记忆效应
• 1.3.3.5 可调控性
• 1.3.4 LDHs的合成
• 1.3.4.1 LDHs的合成方法
• 1.3.4.2 LDHs的插层组装
• 1.3.5 LDHs的应用
• 1.3.5.1 催化方面的应用
• 1.3.5.2 离子交换和吸附方面的应用
• 1.3.5.3 功能材料方面的应用
• 1.3.5.4 固定化酶方面的应用
• 1.3.5.5 光学方面的应用
• 1.3.5.6 电化学方面的应用
• 1.3.5.7 磁学方面的应用
• 1.3.5.8 医药方面的应用
• 1.4 尖晶石材料的特性及应用
• 1.4.1 尖晶石材料的概述
• 1.4.2 尖晶石材料的结构特征与特性
• 1.4.2.1 尖晶石的结构特征
• 1.4.2.2 影响尖晶石结构的因素
• 1.4.2.3 尖晶石的理化特性
• 1.4.3 尖晶石材料的制备方法
• 1.4.3.1 固相法
• 1.4.3.2 液相法
• 1.4.4 尖晶石材料的应用
• 1.4.4.1 磁性材料
• 1.4.4.2 催化材料
• 1.4.4.3 颜料
• 1.4.4.4 隐身材料
• 1.5 LDHs及镁铝尖晶石的形貌控制制备研究现状
• 1.5.1 LDHs的形貌控制制备研究
• 1.5.2 镁铝尖晶石的形貌控制制备研究
• 1.6 论文选题的目的、意义及研究内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究意义
• 1.6.3 研究内容
• 第二章 喷雾干燥法制备球形LDHs多孔材料
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 材料和药品
• 2.2.2 样品的制备
• 2.2.2.1 LDHs前驱体的制备
• 2.2.2.2 球形LDHs的制备
• 2.2.3 样品的分析及表征
• 2.3 结果与讨论
• 3-LDHs的制备及表征'>2.3.1 球形MgAl-CO₃-LDHs的制备及表征
• 3-LDHs前驱体的制备及表征'>2.3.1.1 MgAl-CO₃-LDHs前驱体的制备及表征
• 3-LDHs的制备及表征'>2.3.1.2 球形MgAl-CO₃-LDHs的制备及表征
• 3-LDHs的结构稳定性'>2.3.1.3 球形MgAl-CO₃-LDHs的结构稳定性
• 2.3.2 方法的普适性
• 3-LDHs的制备及表征'>2.3.2.1 球形NiAl-CO₃-LDHs的制备及表征
• 3-LDHs的制备及表征'>2.3.2.2 球形ZnAl-CO₃-LDHs的制备及表征
• 3-LDHs的制备及表征'>2.3.2.3 球形CuZnAl-CO₃-LDHs的制备及表征
• 2.3.3 球形LDHs的形成机理探讨
• 2.4 小结
• 2O₄多孔复合材料及其催化性能'>第三章 硬模板法制备球形MgO/MgAl₂O₄多孔复合材料及其催化性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 材料和药品
• 3.2.2 样品的制备
• 3.2.3 催化性能测试
• 3.2.4 样品的分析及表征
• 3.3 结果与讨论
• 2O₄多孔复合材料的组成与形貌表征'>3.3.1 球形MgO/MgAl₂O₄多孔复合材料的组成与形貌表征
• 3-LDHs/γ-Al₂O₃前驱体的表征'>3.3.1.1 MgAl-CO₃-LDHs/γ-Al₂O₃前驱体的表征
• 2O₃/γ-Al₂O₃的表征'>3.3.1.2 MgO·xAl₂O₃/γ-Al₂O₃的表征
• 2O₃/γ-Al₂O₃碱性的调控'>3.3.1.3 MgO·xAl₂O₃/γ-Al₂O₃碱性的调控
• 2O₄的组成和形貌表征'>3.3.1.4 MgO/MgAl₂O₄的组成和形貌表征
• 2O₄多孔复合材料的结构与织构表征'>3.3.2 球形MgO/MgAl₂O₄多孔复合材料的结构与织构表征
• 3.3.2.1 结构性质
• 3.3.2.2 织构性质
• 2O₄多孔复合材料的碱性表征'>3.3.3 球形MgO/MgAl₂O₄多孔复合材料的碱性表征
• 3.3.3.1 参比催化剂的制备及表征
• 3.3.3.2 催化剂的碱性表征
• 2O₄多孔复合材料的催化活性'>3.3.4 球形MgO/MgAl₂O₄多孔复合材料的催化活性
• 2O₄多孔复合材料的形成机制探讨'>3.3.5 球形MgO/MgAl₂O₄多孔复合材料的形成机制探讨
• 3.4 小结
• 第四章 结论
• 本论文的创新点
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果
• 作者和导师简介
• 附件