介孔氨基TiO2的制备毕业论文
2020-05-22 08:05
摘 要
本文以钛酸正丁酯和氨基丙基硅烷为原料，采用水热法制备介孔氨基二氧化钛，在合成介孔二氧化钛的过程中直接引入氨基。对样品进行红外表征，来确定氨基是否接入。表征结果显示，氨基已经被接入介孔二氧化钛中。并对介孔氨基二氧化钛和介孔二氧化钛进行比表面积测定，结果它们的比表面积分别是775m2/g和1234m2/g。以上数据表明氨基丙基硅会烷堵塞二氧化钛中的一些孔。最后进行介孔氨基二氧化钛和介孔二氧化钛对二氧化碳的吸附，结果显示介孔氨基二氧化钛对二氧化碳的吸附性能强于介孔二氧化钛。
关键词：介孔二氧化钛 氨基 水热法 红外表征 比表面积 吸附二氧化碳
The preparation of Mesoporous amino Titanium dioxide
ABSTRACT
In this paper, n-butyl titanate and amino propyl silane as raw materials prepared by hydrothermal amino mesoporous titania, in the process of synthesis of mesoporous titania directly introduced into the amino group. IR samples were characterized to determine whether an amino group access. The results showed the amino group has been access mesoporous titanium dioxide. And amino mesoporous titania mesoporous titanium dioxide and specific surface area measurements, the results of which are specific surface area 775m2 / g and 1234m2 / g. Above show aminopropyl silane titanium dioxide plugging some holes. Finally, the results of adsorption amino mesoporous titania mesoporous titania and carbon dioxide, the results showed that mesoporous titania amino adsorption performance is stronger than carbon dioxide mesoporous titania.
Key Words:Mesoporous titania Amino Hydrothermal Infrared Characterization The specific surface area Adsorption of carbon dioxide
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 引言 1
1.1引言 1
1.1.1研究进展 1
1.1.2国内合成情况 2
1.2介孔二氧化钛材料的合成方法 2
1.2.1水热法 2
1.2.2化学气相沉淀法（CVD法） 3
1.2.3溶胶-凝胶法 3
1.3模板剂的分类 3
1.4模板剂的脱除方法 4
1.4.1焙烧法 4
1.4.2溶剂萃取法 4
1.4.3微波法 4
1.5本文意义及研究内容 5
1.5.1本文选题的意义 5
1.5.2本文研究内容 5
第二章 实验部分 6
2.1实验药品及仪器 6
2.2样品的合成 6
2.2.1合成原理 6
2.2.2水热法 6
2.2.3实验方案 7
2.3表征测试方法 7
2.3.1傅里叶红外光谱 7
2.3.2比表面积测定 8
2.4二氧化碳的吸附 8
第三章 实验结果与分析 10
3.1孔结构分析 10
3.2红外光谱分析 11
3.3二氧化钛和介孔氨基二氧化钛对二氧化碳的吸附性能 14
第四章 结论与展望 16
4.1研究结论 16
4.2 研究展望 16
致谢 17
参考文献 18
第一章 引言
1.1引言
随着全球经济发展，环境污染也越来越严重。中国北方乃至全国范围的大面积雾霾，水域被严重污染等一系列问题困扰着我们。我国是世界上人口最多、土地面你最大的发展中国家，我国二氧化硫排放量和化学需氧量位居世界第一[1]。我国主要能源为化石燃料，全球学者认为二氧化碳排放量将持续增加。从1960年到2010年，大气层二氧化碳浓度从百万分之310增加到百万分之390。经过一代又一代科学家长期不懈的努力，已经研究出许多物理化学和生物化学方法来处理污染物质（比如高温焚烧、微生物处理、物理吸附和化学氧化等）来治理环境污染，改善环境[2]。但是这些方法普遍存在处理周期较长、投入资金很大、降解率却比较低等一系列问题[3]。国内外许多研究显示，介孔二氧化钛被广泛用于有机污染治理[4]、灭菌处理、大气净化[5]、污水处理[6]和消毒除臭[7]等领域。
二氧化碳是主要的温室气体，温室气体造成的温室效应使冰山融化海平面上升导致低海拔地区被淹没，不仅对环境产生破坏而且还威胁人类的生存。就现在的情况而言，二氧化碳的吸附与封存是减少二氧化碳排放入大气层最有效和最有前途的方法。二氧化碳的吸附与封存技术已经在多个工业领域应用，例如：燃烧前对燃料中（如天然气）二氧化碳的吸附和燃料燃烧后产生的气体中的二氧化碳进行吸附。对燃烧后产生的二氧化碳进行吸附是这些技术中最有发展前景的，而且对传统粉煤火力发电厂有巨大的改造潜力，帮助其减少污染物和二氧化碳的排放。燃烧前吸附是指在燃烧前去除可燃气体中的二氧化碳。一般情况下，在燃烧前吸附阶段，可燃气体被压缩，从而使二氧化碳的浓度变高，由此产生更高的驱动力使得分离更加容易并且成本更低。现在的商用燃烧前吸附二氧化碳的技术成本约为60美元/吨。美国能源部的研究工作的目标是减少这一成本到40美元/吨二氧化碳。在天然气中二氧化碳也是一种不理想的杂质，其中浓度高达70%[7]。二氧化碳的存在降低了天然气的燃烧能量含量并且增加了运输成本。此外，在同时含有水和二氧化碳的情况下，会对管道和设备会产生腐蚀[8]。为满足管道质量甲烷标准，二氧化碳浓度必须低于2-3%[9]。因此，燃烧前吸附的关键因素是开发一种高效的吸附剂，它必须具有高选择性，较高的吸附容量，稳定等特性，与此同时，还要具有较低的再生能量。
1.1.1研究进展
20世纪七十年代，介孔材料才逐渐发展起来。1970年，就首次出现了有序介孔材料合成的报道。但是，由于受到当时设备条件的限制，并没有办法对介孔材料进行结构分析，样品的结构也没有办法进行判定和识别[8,9]。在1992年，科学家Back等人第一次合成了介孔二氧化硅[10]，也就是M41S系列介孔材料。许多报刊、科学杂志和文献都已经对介孔材料的合成近况进行了报道，同时也包括介孔材料在催化、表面结构的修饰和调整等方面的应用。此外，各种非金属氧化物、金属或其他掺杂的氧化物都可以作为介孔材料的原料[8]。最近几年，介孔材料凭借其优良的结构特点（比表面积巨大、孔道结构规整、孔径分布窄且可调节等），在生物医药、吸附与分离等方面大放异彩，成为炙手可热的研究热门。
对于无极孔性材料的分类，我们通常把孔径小于2nm的固体材料定义为微孔材料，孔径大于50nm的固体材料定义为大孔材料，而把孔径在2-50nm的固体材料定义为介孔材料[11]。
1.1.2国内合成情况
最近年来，国内介孔二氧化钛合成的研究也越来越多。戴清等[12]用不同链长的烷基磷酸酯和脂肪铵为模板剂合成了六角形相的纯二氧化钛介孔分子筛，并且没有使用常规的煅烧法去除模板剂，而是采用了溶剂萃取法，并且成功把模板剂去除了。赵文宽等[13]在常温下直接水解钛酸正丁酯，得到介孔二氧化钛。他们使用的模板剂是十八烷基胺和十二烷基胺，这两种模板剂制得的介孔二氧化钛的孔径分别为2.9nm和3.3nm，在煅烧炉内经过350℃的煅烧处理后，它的表面积经过测定为230m2/g，如果经过500℃的煅烧处理后，介孔二氧化钛的介孔结构就会被破坏，转变成锐钛矿型二氧化钛。乐英红等[14]在中性条件下制备出二氧化钛介孔分子筛，她们使用的模板剂是EO20PO70EO20。
1.2介孔二氧化钛材料的合成方法
介孔二氧化钛在实验室中的合成方法主要有以下三种：（1）水热法（2）化学气相沉淀法（3）溶胶-凝胶法。本次试验中，我使用的是水热法制备介孔氨基二氧化钛。
1.2.1水热法
水热法一般是在反应釜中进行的，水是反应介质，采取加热的方法，在反应釜中形成一个相对高温高压的反应环境。水热法反应的特点：（1）反应时的高温高压可实现通常条件下不能进行的反应。（2）工艺步骤较少操作容易，生产消耗的费用少，生产过程污染较小（3）改变反应条件例，例如反应温度、反应溶液的pH值、反应时间、钛酸正丁酯和水的比例等可得到不同内部结构的产物。（4）水热产品分散性好不容易结团，样品颗粒均匀、纯度较高，不需进行高温煅烧处理，从而避免在煅烧过程中可能使样品变硬、结团[16]。
1.2.2化学气相沉淀法（CVD法）
化学气相沉淀法（CVD法）也是一种常见的制备二氧化钛的方法。采用液体前驱转移法，将TTIP与氮/氧混合气体高温分解，得到的密集排列的二氧化钛纳米薄膜尺寸在30nm以下[17]。采用等离子 CVD 复合法，在低于90℃的条件下，可以得到无定形的二氧化钛纳米颗粒。经过高温煅烧，可以得到纳米二氧化钛晶体颗粒[18]。
1.2.3溶胶-凝胶法
氧化物纳米介孔材料的制备大多使用溶胶-凝胶法。在各个领域都有极为重要的作用，比如合成各种核-壳结构和改性纳米结构，在合成金属复合氧化物、温敏有机-无机混合材料。可通过溶胶-凝胶法将钛醇盐水解并且合成纳米二氧化钛材料。这一过程主要是将蒸馏水和溶剂的混合液缓慢得，逐滴添加到钛盐和醇的混合液中，添加过程需要持续搅拌。经过一段时间的搅拌，使溶液形成凝胶状，将生成的凝胶溶液置于合适的反应温度条件下4-6h。研磨成粉末状后置于400-500℃马弗炉中煅烧4-5h，即可获得粒径25nm的二氧化钛纳米颗粒。
1.3模板剂的分类
模板剂主要分为表面活性剂和非表面活性剂。表面活性剂主要分为三大类[19]：烷基铵类等阳离子表面活性剂、烷基磷酸酯类等阴离子表面活性剂、聚氧乙烯型非离子表面活性剂和中长链有机胺表面活性剂。
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