微介孔材料的制备、表征及气体吸附性能研究

摘要

近年来随着工业生产发展和人民生活水平提高，石化资源的过度消耗和排放以及人口暴涨等问题造成的能源枯竭和“温室效应”等环境压力与日俱增。无论氢气、甲烷等清洁气态能源的开发利用，还是环境保护中二氧化碳等排放气体的回收治理都迫在眉睫。目前，解决气态能源回收和利用过程中存在的关键问题之一在于气体的吸附存储。多孔固体材料包含巨大的比表面积和丰富的孔道结构，具有吸附性能强，热稳定性高，环境友好，使用成本低等优点，因而在气体的吸附、分离和储存方面有广泛的应用前景。在文中，制备了氮化硼、氧化铝和金属-有机框架MIL-53(Al)三种非金属多孔材料，分别考察了它们对二氧化碳和甲烷气体的吸附性能。论文研究成果如下：
　　(1)在氨气气氛中不同温度热处理制备了一系列的氨化氮化硼并进行表征，考察了热处理温度对氨化氮化硼吸附二氧化碳和甲烷的影响，并与在氮气气氛中热处理合成的氮化硼的气体吸附性能进行比较。结果表明：热处理温度对氨化氮化硼的结晶度、微观形貌、热稳定性、孔结构等性质都有影响，其中1400℃热处理制备的氨化氮化硼比表面积和孔容最大，相对应的二氧化碳气体和甲烷气体吸附量也最高，分别为2.14mmol/g和0.07mmol/g；由于表面氨基的影响，氨化氮化硼比在氮气气氛中合成的较高比表面积的多孔氮化硼和活性氮化硼具有更高的二氧化碳和甲烷的吸附能力。
　　(2)采用新工艺制备得到介孔氧化铝，结果显示该介孔氧化铝呈现纳米线形貌，比表面积高达120m2/g，在0℃、常压条件下的二氧化碳和甲烷的吸附量分别为0.7mmol/g和0.06mmol/g。氧化铝对氢气吸附为多层吸附，在3.0MPa、液氮温度和25℃氢气的吸附量分别为5.57wt％和1.51wt%，可以应用于氢气气体的存储。同时，根据表征数据对氧化铝纳米线的形成机制进行了推理。
　　(3)以氯化铝为铝源反应物，在190℃温度条件下，合成的金属-有机框架材料MIL-53(Al)在常压下对二氧化碳的吸附量高达4.49mmol/g，优于介孔活性炭最高吸附量2.25mmol/g；反应过程中添加盐酸和醋酸，框架材料的结晶度增高，产率增加，微观形貌发生变化,比表面积增大，具有单一孔径的微孔结构，热稳定性提高；特别是盐酸辅助合成的MIL-53(Al)HCl材料不仅可以作为低浓度二氧化碳的潜在吸附剂，同时对甲烷气体的吸附能力高于醋酸和未加酸合成的样品。
　　(4)综合比较上述三种非金属多孔吸附材料对气体的吸附能力，研究发现金属-有机框架材料MIL-53(Al)对二氧化碳和甲烷的吸附都高于氮化硼和氧化铝，而且三种材料对二氧化碳的吸附力都大大高于对甲烷的吸附力，有利于气体选择性吸附。

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第一章 绪论

1.1 吸附

1.2气体吸附

1.3多孔材料

1.4多孔材料气体吸附的研究现状

1.5 本文的研究意义与主要研究内容

第二章 材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3实验方法

第三章 六方氮化硼的合成、表征及气体吸附性能研究

3.1氨化氮化硼合成及吸附性能影响

3.2 高比表面积氮化硼合成、表征及气体吸附性能研究

3.3 本章小结

第四章 介孔氧化铝的合成、表征及气体吸附性能研究

4.1 氧化铝合成

4.2 样品表征

4.3 形成机理探讨

4.4 氧化铝气体吸附性能研究

4.5 本章小结

第五章 三价铝-有机框架材料的合成、表征及气体吸附性能研究

5.1 反应温度对铝-有机框架材料合成表征及性能影响

5.2 金属源对铝-有机框架材料合成表征及性能影响

5.3 酸催化对铝-有机框架材料合成表征及性能影响

5.4金属-有机框架材料气体吸附性能研究

5.5本章小结

第六章 结论

创新点

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢