碳纳米管表面含氧官能团和杂原子掺杂对异丙苯催化氧化反应的影响

发布时间：2017-05-25 21:00

  本文关键词：碳纳米管表面含氧官能团和杂原子掺杂对异丙苯催化氧化反应的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳纳米材料具有比表面高、导电性良好、耐腐蚀性强、热稳定性好及易改性等优良的物理化学性质,可以直接作为催化剂用于各类催化反应中,有望替代传统金属催化剂广泛地应用于催化领域中。研究表明,纳米碳材料的表面性质对其催化性能有很大的影响。本论文以碳纳米管为研究对象,设计并制备了具有不同表面官能团含量、缺陷和杂原子的碳纳米管催化剂,研究其在石油化工中具有重要意义的异丙苯液相自由基氧化反应的作用机制,主要内容与结论如下:(1)采用气相氧化和液相硝酸氧化两种方法对碳纳米管表面进行含氧官能化,采用多种表征方法对氧化碳纳米管进行了系统地表征,同时对其催化异丙苯选择性氧化反应的性能进行了评价。研究表明,氧化碳纳米管不利异丙苯催化反应的进行,催化活性随氧化程度的增加而降低。在不同温度下采用惰性气体处理硝酸氧化的碳纳米管可以逐级脱除表面含氧官能团,同时催化剂表面缺陷可得到部分修复,退火处理后氧化碳管催化异丙苯氧化活性可逐步提高。进一步研究发现,碳纳米管表面的缺陷对异丙苯氧化活性无明显影响,氧化碳纳米管表面含氧基团是引起活性降低的主要原因。(2)为了研究氧化碳纳米管在异丙苯选择性氧化反应中的作用机制,在活性良好的商业碳纳米管中加入硝酸氧化的碳纳米管,保证其他条件相同情况下,异丙苯转化率从24.06%下降至3.4%。此现象在其他金属催化剂体系中同样存在,CuO粉末作催化剂加氧化碳纳米管后异丙苯的转化率也由27%降到6.71%,说明在液相自由基反应中,碳纳米管表面氧官能团引起活性降低的主要作用机制是,氧化的碳纳米管充当自由基淬灭剂,捕获反应过程中产生的自由基中间产物,抑制自由基链的传递,从而降低催化活性。(3)采用CVD法、直接热分解法和水热法分别制备了掺杂(N、P)碳纳米管,对其结构进行了系统的表征,并以此为催化剂考察了它们对异丙苯催化氧化活性的影响。实验表明,采用任何一种方法得到的氮掺杂碳纳米管均比没有掺杂的碳纳米管获得更好的异丙苯反应活性;而磷掺杂碳纳米管不利于异丙苯液相选择性氧化反应的进行,且催化活性随磷含量的增加而降低。此外,不论采用CVD法还是直接热分解法制备N,P共掺杂的碳纳米管,其异丙苯催化氧化的活性都比氮掺杂碳纳米管的低,可能是因为磷原子半径比碳原子大很多,磷原子掺杂破坏了碳纳米管石墨结构的完整性,降低碳管的导电性和电子流动性,在一定程度上抑制了电子转移能力,从而导致催化活性下降。
【关键词】：碳纳米管 氧官能团 非金属掺杂 异丙苯 催化氧化
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O613.71
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 引言11-12
• 1.2 纳米碳材料的表面功能化12-18
• 1.2.1 物理改性12-13
• 1.2.2 化学改性13-17
• 1.2.2.1 液相氧化方法13-15
• 1.2.2.2 气相氧化方法15-16
• 1.2.2.3 等离子体氧化法16-17
• 1.2.3 碳材料表面杂原子（氮、磷、硼）掺杂的研究进展17-18
• 1.3 碳材料表面基团和缺陷对催化活性影响的研究现状18-24
• 1.3.1 烃类氧化脱氢反应18-20
• 1.3.2 液相氧化反应20-23
• 1.3.3 水中污染物降解23-24
• 1.3.4 其他化学品的合成24
• 1.4 碳材料表面含氧官能团作为自由基捕获剂的研究进展24-25
• 1.5 本课题的研究思路和主要内容25-27
• 第二章 实验材料与分析方法27-33
• 2.1 实验试剂和仪器27-28
• 2.1.1 实验试剂27-28
• 2.1.2 实验仪器28
• 2.2 催化剂表征方法28-30
• 2.2.1 低温N_2吸附比表面积分析（BET）28
• 2.2.2 x射线光电子能谱（XPS）28-29
• 2.2.3 拉曼光谱表征（Raman）29
• 2.2.4 扫描电子显微镜（SEM）29
• 2.2.5 透射电子显微镜（TEM）29
• 2.2.6 热重分析（TG）29
• 2.2.7 能量散射谱（EDS）29-30
• 2.3 异丙苯催化氧化反应的过程和产物分析30-33
• 2.3.1 异丙苯氧化实验过程30
• 2.3.2 反应产物的定性定量分析过程30-33
• 第三章 碳纳米管表面含氧官能团对异丙苯液相氧化反应作用机制的研究33-51
• 3.1 引言33-34
• 3.2 实验部分34-35
• 3.3 结果与讨论35-50
• 3.3.1 氧化碳纳米管的表征与催化性能测试35-46
• 3.3.2 表面含氧基团对异丙苯自由基反应作用机制的讨论46-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第四章 杂原子掺杂碳纳米管的制备、表征及异丙苯液相氧化性能研究51-68
• 4.1 引言51
• 4.2 掺杂碳纳米管的制备51-53
• 4.2.1 磷掺杂碳纳米管的制备51-52
• 4.2.2 氮掺杂碳纳米管的制备52
• 4.2.3 磷氮共掺杂碳纳米管的制备52-53
• 4.3 掺杂碳纳米管的表征53-63
• 4.3.1 掺杂碳纳米管的结构表征53-56
• 4.3.2 掺杂碳纳米管成分和含量的表征56-60
• 4.3.3 掺杂碳纳米管的比表面积（BET）表征60-61
• 4.3.4 掺杂碳纳米管的Raman分析61-63
• 4.4 杂原子修饰碳纳米管对异丙苯催化氧化性能测试63-67
• 4.4.1 CVD法制备掺杂碳纳米管的催化性能测试63-65
• 4.4.2 热分解法制备掺杂碳纳米管的催化性能测试65-66
• 4.4.3 水热法制备掺杂碳纳米管的催化性能测试66-67
• 4.5 本章小结67-68
• 结论68-70
• 参考文献70-85
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果85-86
• 致谢86-87
• 附件87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张玉龙;蒋鑫;夏玮;张文清;;调控博物馆微环境的新型甲醛吸附剂的研制[J];环境工程;2012年06期

2 高晓明;付峰;武玉飞;张理平;李稳宏;;Co-BiVO_4光催化剂的制备及其用于光催化氧化噻吩[J];无机材料学报;2012年10期

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本文编号：394952