介孔氧化铝的制备、表征及对磷酸盐的络合性质研究

论文摘要

介孔氧化铝有较高的比表面积、可调的孔道结构、良好的吸附性能等特性,在光学、电学、热力学、分子催化和吸附等许多方面有重要的应用价值,已被广泛用作催化剂、吸附剂、催化剂载体等。尽管关于介孔材料的制备及表征目前已有大量的研究,但对于制备高比表面积、孔径可调、热稳定性较高的介孔氧化铝并研究其络合吸附性质仍是世界性的前沿课题。本文研究的目的就是制备有较高比表面积、孔径可调的介孔氧化铝,探讨了碱金属离子、烷基胺、热处理等对介孔氧化铝的影响,并通过研究其对磷酸盐的络合吸附性质,了解介孔氧化铝表面络合吸附的机理和表面络合物的结构特点。本文主要通过简单易行的制备工艺,用廉价的铝粉做铝源,PEG做结构导向剂,在碱金属离子存在的碱性条件下合成出有较高比表面、较窄的孔径分布的介孔氧化铝。TEM、TG/DTA、XRD、N2吸附/脱附等方法的表征表明碱金属离子对合成介孔氧化铝的比表面积和抗烧结能力有重要影响。Li+、Na+、K+碱金属离子和氧原子的相互作用越弱,即金属离子表面位吸附能绝对值越小,生成的介孔氧化铝的比表面就越大。碱金属离子的引入显著改变了介孔氧化铝的比表面积,比表面积的大小顺序为MA-K600（1100） > MA-Na600（1100） > MA-Li600（1100）。在这几种离子中,K+对生成较大比表面积的介孔氧化铝最有效,并且有较好的抗烧结作用。合成的介孔氧化铝前驱体的孔壁结构为三水铝石（Al（OH）3）,随着煅烧温度的升高,其晶体结构从无定形转变为γ-Al2O3,继而转变为θ+α-Al2O3。分别用廉价的无机铝盐和金属铝粉为铝源,加入PEG为结构导向剂,烷基胺为扩孔剂制备了有较高比表面积、孔径可调的介孔氧化铝,并讨论了煅烧温度对介孔氧化铝孔壁结构以及孔径大小的影响。TEM、TG/DTA、XRD、N2吸附/脱附、IR等方法的表征结果表明:分别用无机铝盐和金属铝粉为铝源,PEG为结构导向剂都可以制备出有较高比表面积的介孔氧化铝,通过加入不同链长的烷基胺可以有效地调节介孔氧化铝的孔径大小。比较这两种方法,用无机铝盐作铝源制备出的介孔氧化铝有较大的孔径,孔径在8.35-13.85 nm之间可调;而用金属铝粉作铝源可以制备出孔径分布更窄的介孔氧化铝,并且孔径在3.62-6.96 nm之间可调。PEG的加入有效降低了介孔氧化铝热处理过程中的团聚现象。介孔氧化铝煅烧温度和孔壁结构、比表面积、孔径大小有密切的关系。当煅烧温度为550°C时,介孔氧化铝为无定型的孔壁结构,当煅烧温度升高到800°C时,γ-Al2O3为主要晶相,而当煅烧温度进一步升高到1100°C时,孔壁为θ-Al2O3和α-Al2O3的混合相,当煅烧温度超过1100°C后,比表面急剧降低,孔结构塌落,同时氧化铝完全转变为α-Al2O3。氮气吸附脱附表征结果表明,当煅烧温度在550°C到1100°C之间时,随着煅烧温度的升高,孔径增大同时比表面积和孔容减小。用原位衰减全反射傅立叶变换红外光谱的方法研究了介孔氧化铝对磷酸盐的络合吸附性质,结果表明在pH 4.15-9.01之间,介孔氧化铝对磷酸盐吸附能力不同,随pH降低,吸附能力增强。研究了pH 4.15和9.01时的介孔氧化铝对磷酸盐吸附等温线,结果表明pH=9.01时,当体系磷酸盐浓度较低时,吸附符合Langmuir吸附等温线,当磷酸盐浓度升高时,吸附符合Freundlich吸附等温线;而pH=4.15时,吸附等温线不随磷酸盐浓度变化,基本都符合Freundlich吸附等温线。吸附动力学曲线表明,吸附达到平衡的时间和初始磷酸盐浓度有关,浓度越大,吸附达平衡所需时间越短,并且磷酸盐浓度较大时,初始阶段的吸附是一个快速的过程,之后吸附逐渐变得缓慢。对不同pH时的原位衰减全反射傅立叶变换红外光谱进行分峰拟合的结果表明pH 4.05-9.01范围内,随pH的变化生成的表面络合物结构不同。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪言
• 1.1 介孔材料概述
• 1.2 氧化铝的晶体化学与形貌特征
• 1.3 介孔氧化铝国内外研究进展
• 1.3.1 介孔氧化铝的合成机理
• 1.3.2 介孔氧化铝的合成途径
• 1.3.3 介孔氧化铝材料的发展方向
• 1.3.4 介孔氧化铝的主要应用
• 1.4 表面络合
• 1.5 本课题的研究目的和主要内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究的主要内容
• 第二章 铝粉为铝源介孔氧化铝的制备及表征
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 试剂与仪器
• 2.1.2 样品的制备
• 2.1.3 样品的表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 铝粉的水溶液化学过程
• 2.2.2 热重和差热分析
• 2.2.3 透射电镜分析
• 2.2.4 广角和小角粉末衍射分析
• 2.2.5 比表面和孔径分析
• 2.3 PEG 的作用和对介孔的影响
• 2.4 碱金属离子的作用和影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 孔径可调介孔氧化铝的制备及表征
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 试剂与仪器
• 3.1.2 样品的制备
• 3.1.3 样品的表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 热重和差热分析
• 3.2.2 透射电镜分析
• 3.2.3 比表面和孔径分析
• 3.3 煅烧温度对介孔氧化铝孔径和孔壁结构的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 介孔氧化铝对磷酸盐的表面络合性质
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 介孔氧化铝薄膜的制备
• 4.2.3 样品的表征
• 4.2.4 原位衰减全反射傅立叶变换红外光谱的测定
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 扫描电镜分析
• 4.3.2 Zeta 电位分析
• nPO₄^3-n 的组分分布以及ART-FTIR 光谱'>4.3.3 溶液中H_nPO₄^3-n 的组分分布以及ART-FTIR 光谱
• 4.3.4 pH 对磷酸根吸附的影响
• 4.3.5 吸附等温线
• 4.3.6 吸附动力学
• 4.3.7 ATR-FTIR 光谱曲线拟合
• 4.3.8 表面络合物的分子结构
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文目录