铁系纳米金属、氧化物的室温固相合成及其催化性能研究

发布时间：2017-08-09 04:01

  本文关键词：铁系纳米金属、氧化物的室温固相合成及其催化性能研究

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【摘要】：铁系金属、氧化物,包括Fe、Co、Ni及其氧化物,由于具有优良的电学、磁学、化学等性质,在能量存储、生物医药、催化等领域有重要应用。本论文通过室温固相化学反应合成了一系列铁系金属、氧化物及复合物纳米材料,并将它们用作催化剂,考察了这些纳米材料在对硝基苯酚(4-NP)还原反应、煤直接液化反应中的催化性能,研究了固相反应微环境、反应性强弱对材料组成及微观形貌的影响,讨论了这些铁系纳米材料催化性能与微结构的关系,探索这些材料在相关催化领域的应用。具体研究内容如下:(1)通过金属盐与NaBH4在室温下进行固相氧化还原反应合成了Fe、Co、Ni金属单质纳米材料和NiCo双金属纳米材料,这样的室温固相反应路径可作为一种通用的合成方法来用于金属纳米材料的合成。考察了不同实验条件对产物微观形貌的影响,辅助剂的加入可改变固相反应微环境,减缓固相反应速度,使产物的粒径变小,团聚现象改善,得到更为均匀、尺寸更小的铁系纳米材料。将在不同制备条件下得到的Ni纳米单质用作4-NP还原反应的催化剂具有较好的循环使用性能,循环使用五次后对4-NP的转化率仍可达86.6%。(2)为了进一步提高Ni纳米单质对4-NP还原反应的催化效果,在氧化石墨烯(GO)存在的条件下,通过镍盐与NaBH4进行室温固相反应,制得了金属Ni/还原的氧化石墨烯(Ni/rGO)纳米复合物,考察了复合物纳米材料对还原4-NP反应的催化性能。结果表明:在复合物纳米材料的固相合成过程中,NaBH4可实现对金属盐和GO的同时还原,从而制得相应的金属单质/石墨烯纳米复合物。纳米复合物在4-NP还原反应中的催化性能好于相应的纳米单质,也好于固相反应合成的贵金属Ag纳米粒子,但是低于Ag/GO纳米复合物。(3)通过室温固相法分别制得了Fe3O4纳米粒子和Fe3O4/rGO纳米复合物,考察了它们对两种新疆煤直接液化的催化性能。结果表明:由室温固相法合成的Fe3O4纳米粒子对新疆黑山煤液化有较好的催化效果,其液化转化率和油产率分别比未使用催化剂时提高8.8 wt%和11.3 wt%;与Fe3O4纳米粒子相比,Fe3O4/rGO纳米复合物对黑山煤直接液化效率没有显著提高。以Fe3O4纳米粒子为催化剂,考察了它对新疆大黄山煤直接液化的催化效果,发现低阶的大黄山煤比黑山煤更适合应用于煤直接液化反应,确定了新疆大黄山煤在Fe3O4纳米粒子作用下直接液化的最佳反应工艺条件。(4)由室温固相法通过还原亚铁盐制得Fe单质、再控制氧化Fe单质得到了具有特殊结构的Fe/FeOOH纳米材料,探讨了这种特殊结构的形成机理,并考察了它在煤直接液化反应和废水处理中的应用。研究结果表明:通过固相化学反应的“还原-氧化-熟化”过程可以合成薄层片状构筑的三维Fe/FeOOH分级纳米结构,这种分级结构对新疆大黄山煤直接液化的转化率和油产率分别比未使用催化剂时提高11.6 wt%和7.0 wt%;将分级结构纳米材料用作吸附剂对水中的染料和金属离子进行处理,对刚果红和Cr(VI)的最大吸附容量明显高于其它类似结构的材料,分别达到167.8 mg/g和57.9 mg/g。
【关键词】：固相合成 纳米材料 金属 氧化物 催化
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O643.36
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-26
• 1.1 铁系纳米材料概述9-10
• 1.2 铁系纳米催化剂应用简介10-17
• 1.2.1 对硝基苯酚还原反应催化剂11-13
• 1.2.2 煤直接液化反应催化剂13-17
• 1.3 铁系纳米材料的合成方法17-23
• 1.3.1 铁系纳米金属的合成方法17-19
• 1.3.2 铁系纳米氧化物的合成方法19-21
• 1.3.3 铁系纳米材料/石墨烯复合物的合成方法21-23
• 1.4 低热固相法合成纳米材料23-24
• 1.5 本论文的研究目的与研究内容24-26
• 1.5.1 研究目的24
• 1.5.2 研究内容24-26
• 第二章 实验部分26-33
• 2.1 实验试剂26-27
• 2.2 实验仪器27-28
• 2.3 氧化石墨烯的制备28-29
• 2.4 表征方法29
• 2.5 催化反应实验过程与结果计算29-33
• 2.5.1 对硝基苯酚还原反应实验过程29-30
• 2.5.2 对硝基苯酚还原反应结果计算30
• 2.5.3 煤直接液化反应实验过程30-31
• 2.5.4 煤直接液化反应产物的分离与计算31-33
• 第三章 铁系纳米金属的室温固相合成及其催化还原对硝基苯酚性能研究33-47
• 3.1 引言33-34
• 3.2 铁系金属单质纳米材料的室温固相合成与表征34-41
• 3.2.1 铁系金属单质纳米材料的室温固相合成34-35
• 3.2.2 铁系金属单质纳米材料的表征35-41
• 3.3 双金属NiCo纳米材料的室温固相合成与表征41-43
• 3.3.1 双金属NiCo纳米材料的室温固相合成41-42
• 3.3.2 双金属NiCo纳米材料的表征42-43
• 3.4 纳米Ni单质催化还原对硝基苯酚性能研究43-45
• 3.5 本章小结45-47
• 第四章 金属/石墨烯纳米复合物的室温固相合成及其催化还原对硝基苯酚性能研究47-61
• 4.1 引言47-48
• 4.2 Ni/rGO纳米复合物的室温固相合成与表征48-50
• 4.2.1 Ni/rGO纳米复合物的室温固相合成48
• 4.2.2 Ni/rGO纳米复合物的表征48-50
• 4.3 Ni/rGO纳米复合物催化还原对硝基苯酚性能研究50-52
• 4.4 Ni/rGO复合物与纳米Ag、Ag/GO复合物的催化性能比较52-59
• 4.4.1 Ag纳米粒子和Ag/GO纳米复合物的室温固相合成52-53
• 4.4.2 Ag纳米粒子和Ag/GO纳米复合物的表征53-55
• 4.4.3 不同催化剂对还原对硝基苯酚的催化性能比较55-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第五章 铁系纳米材料的室温固相合成及其催化煤直接液化性能研究61-74
• 5.1 引言61-62
• 5.2 Fe_3O_4纳米粒子和Fe_3O_4/rGO纳米复合物的室温固相合成与表征62-66
• 5.2.1 Fe_3O_4纳米粒子的室温固相合成与表征62-63
• 5.2.2 Fe_3O_4/rGO纳米复合物的室温固相合成与表征63-66
• 5.3 纳米Fe_3O_4和Fe_3O_4/rGO催化煤直接液化性能研究66-69
• 5.4 Fe_3O_4纳米粒子催化新疆大黄山煤直接液化工艺条件考察69-72
• 5.4.1 反应温度对煤直接液化反应的影响69-70
• 5.4.2 氢气初压对煤直接液化反应的影响70-71
• 5.4.3 反应时间对煤直接液化反应的影响71-72
• 5.5 本章小结72-74
• 第六章 分级结构Fe/FeOOH纳米材料的室温固相合成及其性能研究74-90
• 6.1 引言74-75
• 6.2 Fe/FeOOH分级结构的室温固相合成与表征75-81
• 6.2.1 Fe/FeOOH分级结构的室温固相合成75
• 6.2.2 Fe/FeOOH分级结构的表征75-81
• 6.3 Fe/FeOOH分级结构催化新疆大黄山煤直接液化性能研究81-82
• 6.4 Fe/FeOOH分级结构吸附性能研究82-88
• 6.4.1 Fe/FeOOH分级结构吸附染料性能研究82-87
• 6.4.2 Fe/FeOOH分级结构吸附金属离子性能研究87-88
• 6.5 本章小结88-90
• 第七章 结论与展望90-95
• 7.1 结论90-92
• 7.2 创新点92-93
• 7.3 展望93-95
• 参考文献95-110
• 攻读博士学位期间主要科研成果110-112
• 博士在读期间获奖情况110
• 博士在读期间发表论文情况110-111
• 博士在读期间申请专利情况111-112
• 致谢112-113

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