粒径和形貌对纳米颗粒吸附热力学和动力学的影响

发布时间：2017-12-17 08:19

本文关键词：粒径和形貌对纳米颗粒吸附热力学和动力学的影响

【摘要】：与相应的块状材料相比,纳米颗粒具有优异的吸附性能,现在已广泛应用于许多领域,这些性能决定于其吸附热力学和吸附动力学,而吸附热力学和吸附动力学决定于纳米颗粒的粒径和形貌。然而,粒径和形貌对纳米颗粒吸附热力学和动力学的影响规律和机理还不是很清楚。本文在理论和实验上研究了纳米颗粒的粒径和形貌对纳米吸附热力学和动力学的影响规律:(1)纳米吸附的理论研究在热力学上,把纳米吸附的过程看成是一个反应,通过定义纳米吸附剂和吸附产物的化学势,得到了不同形貌纳米颗粒的吸附平衡常数和吸附热力学性质分别与粒径之间的关系,并且讨论了粒径对吸附平衡常数和吸附热力学性质的影响机理和影响规律。在动力学上,通过假定化学反应的过渡态理论适用于纳米吸附过程,且粒径对过渡态没有影响,推导了吸附动力学参数分别与粒径之间的关系,并且讨论了粒径对动力学参数的影响规律。(2)纳米吸附的实验研究在实验上,用水热法制备了不同形貌(球形、立方和八面体)的不同粒径的纳米CeO_2。然后,以纳米CeO_2对甲基橙和盐基品红的吸附为研究体系,研究了形貌和粒径对纳米CeO_2吸附甲基橙和盐基品红的热力学和动力学的影响规律。通过理论和实验研究,得出如下结论:制备纳米CeO_2的规律:采用了水热法,以Ce(NO_3)_3·6H_2O为铈源,NH_3·H_2O、NaOH和Na_3PO_4·12H_2O为沉淀剂制备了球形、立方和八面体的纳米CeO_2。然后分别控制实验条件,制备出了不同粒径的球形、立方和八面体的纳米CeO_2。在制备的过程中,发现加入铈盐的浓度、沉淀剂的浓度、水热温度、表面活性剂和焙烧温度对纳米颗粒的粒径和形貌有不同程度的影响,其中对纳米CeO_2形貌影响的因素中最大的是水热温度,对纳米CeO_2粒径影响最大的因素是焙烧温度。形貌和粒径对吸附热力学的影响规律:球形纳米CeO_2对甲基橙的吸附效果较好,而立方和八面体纳米CeO_2对甲基橙几乎不吸附;不同形貌的纳米CeO_2对盐基品红都有很好的吸附效果;纳米CeO_2的粒径对甲基橙和盐基品红的吸附热力学性质均有显著的影响;随着纳米CeO_2粒径的减小,吸附标准平衡常数oK-增大,标准摩尔吸附吉布斯自由能oads mG-(35)、标准摩尔吸附焓oads mH-(35)和标准摩尔吸附熵oads mS-(35)均降低;并且标准平衡常数的对数oln K-、oads mG-(35)、oads mH-(35)和oads mS-(35)均与其粒径的倒数呈一定的线性关系;对于相同粒径不同形貌的纳米CeO_2吸附盐基品红的热力学性质的大小由纳米颗粒表面积和纳米颗粒对吸附质吸附力的大小共同决定。这些实验结果与上述纳米吸附热力学理论分析一致。其影响机理是:吸附吉布斯自由能由摩尔表面积和吸附前后表面张力的差值决定,吸附熵由摩尔表面积和表面张力的温度系数的差值决定,吸附焓由摩尔表面积、吸附前后表面张力的差值和吸附前后表面张力的温度系数的差值共同决定。形貌和粒径对吸附动力学的影响规律:纳米CeO_2的粒径对甲基橙的吸附动力学参数均有显著的影响;随着粒径减小,吸附速率常数k增大,而吸附活化能Ea和吸附指前因子A均减小;并且lnk、Ea、ln A均分别与粒径的倒数呈现较好的线性关系。这些实验结果与上述纳米吸附动力学理论分析一致。其影响机理是:吸附活化能和指前因子分别由偏摩尔表面焓和偏摩尔表面熵影响,吸附速率常数由偏摩尔表面焓和偏摩尔表面熵共同影响。本文建立的纳米吸附理论,阐明了粒径对纳米吸附热力学性质和动力学参数的影响机理和实质,能够定量地描述纳米颗粒的吸附行为。纳米吸附理论对于解决纳米颗粒在催化、污水处理和空气净化等领域涉及到的吸附问题有重要的指导意义和广泛的应用前景。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O647.3

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