几种金属氧化物纳米催化材料的制备及催化性能、机理研究

发布时间：2019-11-20 05:49

【摘要】：在催化领域中,高活性催化剂的开发是当今各国研究的焦点。纳米材料因其尺寸小、比表面积大、多活性中心,以及独特的晶体结构和特殊的表面特性(高表面活性和表面能),作为催化剂提高体系反应效率。因此,构建纳米材料催化剂及其在催化领域中的应用受到广泛的关注。材料的性能显著依赖于其结构,通过对纳米材料结构的研究实现对催化性能的调控,从纳米层面揭示结构与催化性能的关系,为构建高效催化剂提供方法指导和理论依据。金属氧化物纳米材料以其独特的物理和化学性质展现出极大的催化应用潜力。因此,本论文从单金属氧化物、双金属氧化物和复合金属氧化物三个方面出发,可控制备了几种金属氧化物纳米材料催化剂,将其应用在模型催化反应中,考察催化性能,研究结构与性能的关系,探究催化机理。1.(a)不同晶面Ti O_2纳米固体酸研究:分别制备了(001)和(101)晶面Ti O_2纳米固体酸,表征结构,将其作为酯化反应的催化剂,比较了催化性能,分析了活性差异原因,考察了反应条件的影响和重复使用性能。结果表明:硫酸根基团分散在Ti O_2表面,并与Ti4+离子形成双配位结构。相比(001)晶面,更多的硫酸根基团结合在(101)晶面,更高的酸浓度和酸强度形成,致使SO42-/T101具有较高催化活性,酯化产率达到92.2%。SO42-/T101中同时具有Br?nsted和Lewis酸位。当反应时间为150 min,反应温度为120 oC,催化剂量为0.18 g,醇酸摩尔比为1.2:1时,SO42-/T101催化剂显示最优催化活性。SO42-/T101催化剂在循环实验中催化活性降低,稀硫酸中浸渍、煅烧,活性恢复。(b)不同晶相Ti O_2纳米固体酸研究:制备了不同锐钛矿相/金红石相含量的Ti O_2纳米固体酸,表征结构,将其作为酯化反应的催化剂,分别建立不同晶相含量与催化活性/表面酸浓度间的联系。结果表明:硫酸根基团分散在Ti O_2表面,并与Ti4+离子形成双配位结构。单位面积下金红石相含量增加,提高表面酸浓度,因而提高其在酯化反应中催化活性,且金红石相含量与催化活性/表面酸浓度正向线性相关。SO42-/T1中同时具有Br?nsted和Lewis酸位。当反应时间为90 min,反应温度为120 oC,催化剂量为0.10g,醇酸摩尔比为1.2:1时,SO42-/T1催化剂显示最优催化活性。SO42-/T1催化剂在循环试验中表现较高重复使用性能。2.采用一步溶剂法制备高比表面积纳米Zn Al_2O_4,改变反应溶剂,获得系列对比样品,表征结构,将其作为臭氧化降解高浓度污染物反应的催化剂,建立了表面羟基密度与催化活性间的联系,研究了重复使用性能和反应体系p H的影响,探究了催化机理。结果表明:Zn Al_2O_4的比表面积均高于195 m2/g,最高达到288 m2/g,Zn Al_2O_4加快污染物降解,最高降解效率达到78.8%,表面羟基密度与污染物降解效率正向线性相关。Zn Al_2O_4在臭氧化过程中表现出较好的重复使用性能,且能够在较宽p H(3.3~9.3)范围内,表现出较稳定的催化性能。Zn Al_2O_4的存在,加快污染物降解,Lewis酸位是Zn Al_2O_4催化反应中心,羟基自由基是加快污染物降解的主要活性氧化物种。3.采用不同方法分别制备磁性Ni Fe_2O_4纳米多面体和纳米球,表征结构,将其作为臭氧化降解高浓度污染物反应催化剂,分析了Ni Fe_2O_4、臭氧和污染物间的作用,从结构、催化反应中心、表面电子转移、与臭氧的作用等方面讨论其催化活性差异的原因。研究了Ni Fe_2O_4催化动力学,建立了动力学常数与表面羟基间的联系。探究了Ni Fe_2O_4催化反应机理,阐述了水在Ni Fe_2O_4催化过程中的作用。考察了Ni Fe_2O_4磁分离性,研究了其重复使用性能。结果表明:相比纳米球,Ni Fe_2O_4纳米多面体具有较多的Lewis酸位,带来较多的表面羟基和化学吸附水,且具有较强的表面电子转移能力,结合较优的结构,产生与臭氧间较强的作用力,带来其较高催化活性。Ni Fe_2O_4催化过程遵循一级动力学方程,速率常数与表面羟基量正向线性相关。臭氧先与Ni Fe_2O_4表面羟基作用生成羟基自由基,加快污染物降解,Lewis酸位是催化反应中心。水是Ni Fe_2O_4催化臭氧化反应中的推进剂而不是抑制剂。Ni Fe_2O_4催化剂能够简单、快速地磁分离,中间产物羧酸类化合物聚集在催化剂表面导致循环试验中活性降低,臭氧化或者煅烧处理,活性恢复。4.制备了Ti O_2纳米管-Ce O_2纳米复合物,表征结构,将其作为过氧化物模拟酶催化剂,考察了Ce O_2含量的影响,研究了Ti O_2纳米管-Ce O_2、H2O_2和TMB间的作用。改变Ti O_2载体形貌,分别得到了Ti O_2纳米线/纳米棒/纳米粒子-Ce O_2纳米复合物,比较了过氧化物模拟酶催化活性,分析活性差异原因。考察了反应条件的影响,分析了催化动力学,比较了动力学常数Km值,探讨了催化机理,提出该方法在H2O_2和葡萄糖分析检测中的应用。结果表明:Ce O_2/NT-Ti O_2具有过氧化物模拟酶催化活性,当Ce/Ti摩尔比为0.1时,Ce O_2/NT-Ti O_2纳米复合物具有最高的过氧化物模拟酶催化活性,同时也高于相同条件下Ce O_2/NW-Ti O_2、Ce O_2/NR-Ti O_2和Ce O_2/NP-Ti O_2催化活性。当体系p H值为4,温度为45 oC时,催化活性最高。Ce O_2/NT-Ti O_2@0.1纳米复合物催化过程遵循典型的Michaelis-Menten动力学曲线,测得的动力学常数Km值分别为0.094和0.04 m M,明显低于报道的HPR和其他报道氧化物过氧化物模拟酶催化剂,表明对H2O_2和TMB更高的亲和力。Ce3+位是催化反应的活性位,表面Ce O_2首先与H2O_2作用,改变Ce O_2表面状态,将Ce3+位转变为表面过氧物种,氧化表面吸附的TMB。Ce O_2/NT-Ti O_2@0.1具有最高表面Ce3+浓度,带来其最高的催化活性。在H2O_2和葡萄糖检测实验中,测量检出限分别低至3.2μM和6.1μM,且能够正确地测定检测人体血清样品中葡萄糖含量。
【图文】：

方法得到的纳米材料纯度高、晶体组织好、粒度可控，但设备要求高；化学气相法是指通过化学反应所需金属氧化物纳米材料的方法，通常以挥发性金属氧化物或金属单质蒸气作为反应原料，根据反应类型的不同可以分为气相热解、气相水解、气相氧化等。该方法得到的纳米材料纯度高、颗粒尺寸小、团聚少、组分易控。Lyu 等人采用物理气相沉积法，改变生长温度，得到不同直径的 ZnO 纳米线阵列，如图 1-1 所示[24]。

（1）溶胶-凝胶法：将易于水解的金属盐在某种溶剂中与水发生反应，生成活性单体，活性单体聚合，溶胶形成，溶胶不断聚合生成凝胶，凝胶具有一定空间结构，干燥、煅烧处理后，，得到金属氧化物纳米材料。该方法得到的纳米材料颗粒细、均匀和纯度高，但是所使用的原料价格比较昂贵、合成过程所需时间较长。采用该方法，Woo 等人制备了不同晶相组成的 Fe2O3纳米棒，如图 1-2 所示[25]。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TB383.1

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本文编号：2563435