凝胶体系中纳米Fe3O4可控合成及其用于制备生物柴油的研究

论文摘要

纳米Fe3O4是应用最广泛的磁性纳米粒子之一，在磁流体、磁记录材料、催化及生物医学等领域具有广阔的应用前景。本文提出了一种以N-月桂-L-谷氨酸-二正丁基酰胺（GP-1）/丙二醇（PG）超分子有机凝胶体系为模板采用化学共沉淀法合成Fe3O4纳米粒子的新方法，并将合成的Fe3O4纳米粒子引入铝酸钙催化剂中用于催化酯交换反应制备生物柴油。首先分别对水相共沉淀法和凝胶模板法合成纳米Fe3O4的过程进行了初步考察，研究表明超分子凝胶模板法在合成纳米粒子的形貌、晶型和磁性能等方面均具有明显优势；在此基础上，重点探讨了超分子凝胶模板法中沉淀剂种类与浓度、凝胶因子浓度、反应时间等因素对合成Fe3O4纳米粒子形貌、晶型及磁性能的影响规律，采用TEM、XRD、VSM等手段对纳米粒子的微观形貌、晶体结构和磁性能进行表征，结果表明合成纳米粒子的形貌和晶型很大程度上取决于所采用的沉淀剂种类和浓度。实验确定适宜的沉淀剂为7.5mol/L NaOH，适宜的凝胶因子浓度为5wt%；而反应时间的延长对纳米Fe3O4的形貌和磁性能基本没有影响，充分显示了凝胶模板优异的密封性能。此外还考察了凝胶体系下纳米粒子的生长曲线，结果表明GP-1/PG凝胶体系中Fe3O4纳米粒子的生长速率较水相体系中更快，晶体达到生长平衡的时间较水相体系中更短。以商品纳米级Fe3O4为原料，采用化学合成法制备了磁纳米Ca/Al/Fe3O4固体催化剂，并将其用于菜籽油与甲醇酯交换反应的研究。考察了磁纳米固体催化剂制备过程中n（Ca）: n（Fe）、煅烧温度、煅烧时间等条件对催化剂性能的影响，确定最优条件为n（Ca）: n（Fe）=5:1、煅烧温度600℃、煅烧时间6h。同时采用XRD、SEM、BET、VSM等手段对磁纳米固体催化剂进行了表征。实验结果表明，最优条件下制备的磁纳米固体催化剂催化酯交换反应所得甲酯收率为98.71%，催化剂回收率为93.80%。催化剂具有较好的稳定性，连续使用五次甲酯收率均在93%以上；与纯的固体铝酸钙催化剂相比，磁纳米复合催化剂具有更高的催化活性和独特而便捷的回收方式；进而以凝胶模板法制得的Fe3O4纳米粒子为原料合成Ca/Al/Fe3O4固体催化剂并用于催化生物柴油的酯交换反应，在更小的催化剂用量下可得到更高的甲酯收率98.85%和催化剂回收率94.47%，充分体现了凝胶体系作为模板合成纳米材料的优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 纳米磁性材料
• 3O₄'>1.2 纳米Fe₃O₄
• 3O₄纳米粒子简介'>1.2.1 Fe₃O₄纳米粒子简介
• 3O₄纳米颗粒的传统合成方法'>1.2.2 Fe₃O₄纳米颗粒的传统合成方法
• 3O₄纳米粒子的应用'>1.2.3 Fe₃O₄纳米粒子的应用
• 3O₄研究进展'>1.3 水相共沉淀法制备Fe₃O₄研究进展
• 1.3.1 水相共沉淀法过程中各因素的影响
• 3O₄的应用'>1.3.2 水相共沉淀法制备Fe₃O₄的应用
• 3O₄'>1.4 超分子凝胶体系为模板共沉淀合成纳米Fe₃O₄
• 1.4.1 超分子凝胶体系概述
• 1.4.2 影响超分子凝胶体系三维网络结构的因素
• 1.4.3 超分子凝胶体系作为制备纳米材料模板的研究进展
• 3O₄用于催化制备生物柴油的研究'>1.5 纳米Fe₃O₄用于催化制备生物柴油的研究
• 1.5.1 生物柴油概述
• 1.5.2 生物柴油制备的酯交换反应
• 1.5.3 酯交换反应催化剂
• 1.5.4 磁纳米固体碱催化剂用于制备生物柴油的研究
• 1.6 本课题研究内容及意义
• 第二章 超分子凝胶体系可控合成纳米四氧化三铁的研究
• 2.1 实验原料与仪器
• 2.2 实验步骤
• 3O₄纳米粒子'>2.2.1 水相共沉淀法合成Fe₃O₄纳米粒子
• 3O₄纳米粒子'>2.2.2 超分子凝胶模板法合成Fe₃O₄纳米粒子
• 2.3 分析与表征手段
• 2.3.1 X射线衍射仪（XRD）
• 2.3.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.3.3 振动样品磁强计（VSM）
• 2.3.4 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4 共沉淀法反应机理探讨
• 2.5 水相共沉淀法与超分子凝胶模板法的对比
• 2.5.1 XRD分析结果
• 2.5.2 TEM表征结果
• 2.5.3 VSM磁性能分析
• 2.5.4 两种方法的比较
• 2.6 水相共沉淀法与超分子凝胶模板法纳米粒子生长速率曲线初步考察
• 2.7 GP-1/PG凝胶体系中可控合成纳米四氧化三铁
• 2.7.1 沉淀剂种类和浓度的影响
• 2.7.2 凝胶因子浓度的影响
• 2.7.3 反应时间的影响
• 2.8 本章小结
• 3O₄催化制备生物柴油的研究'>第三章 磁纳米固体催化剂Ca/Al/Fe₃O₄催化制备生物柴油的研究
• 3.1 实验原料与仪器
• 3.2 实验装置与步骤
• 3O₄的制备'>3.2.1 磁纳米固体催化剂Ca/Al/Fe₃O₄的制备
• 3.2.2 酯交换反应装置及其反应步骤
• 3.2.3 生物柴油的定性分析
• 3.2.4 生物柴油的定量分析
• 3.2.5 生物柴油收率的计算
• 3.3 分析与表征手段
• 3.3.1 热重分析（TG）
• 3.3.2 X射线衍射仪（XRD）
• 3.3.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 3.3.4 低温氮气吸-脱附实验（BET）
• 3.3.5 振动样品磁强计（VSM）
• 3.4 磁纳米固体催化剂催化制备生物柴油的研究
• 3.4.1 n （Ca）: n （Fe）对催化剂性能的影响
• 3.4.2 煅烧温度对催化剂性能的影响
• 3.4.3 煅烧时间对催化剂性能的影响
• 3.4.4 催化剂回收率的考察
• 3.4.5 催化剂可重复利用性的考察
• 3.5 催化剂表征
• 3.5.1 催化剂的热重分析
• 3.5.2 XRD分析
• 3.5.3 SEM
• 3.5.4 BET
• 3.5.5 EDS
• 3.5.6 VSM
• 3.6 两种磁纳米固体催化剂的性能比较
• 3.6.1 催化剂活性
• 3.6.2 催化剂表征
• 3.7 本章小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 3O₄合成的相关原始数据'>附录Ⅰ Fe₃O₄合成的相关原始数据
• 附录Ⅱ 磁纳米复合固体催化剂活性的相关原始数据
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢