钛交联蒙脱石多孔材料的复合制备与层间结构研究

摘要

钛交联蒙脱石(Ti-PILCs)拥有独特的层间结构,具有比表面积大、热稳定性高,以及催化活性和光敏性好等优异的物化性能,近年来引起了人们极大的关注,它在石油催化、环境保护、精细化工及材料科学等领域显示了广阔的应用前景。
　　 本文以鄂东某地产钙基膨润土矿为研究对象,通过分散提纯精制、钛交联剂制备、钛交联蒙脱石多孔材料合成、钛交联蒙脱石材料层间结构研究等过程,成功制备出钛交联蒙脱石多孔材料。
　　 首先对鄂东某地产钙基膨润土矿采用湿法提纯工艺,以焦磷酸钠为改型剂,在适宜的工艺条件下,精制出了性能优良的高纯钠基蒙脱石(dool=1.28 nm),并以此为基质进行Ti-PILCs的制备。
　　 再分别以TICl4为钛源(采取水解法),以钛酸正丁酯[Ti(n-C4H9O)4]为钛源(采用溶胶-凝胶法),制备了一系列钛交联蒙脱石复合材料(Ti-PILCs),并对HCl浓度、Ti/土比、H/Ti摩尔比、交联温度等主要合成条件进行了讨论。结果表明,以Ti(n-C4H9O)4为钛源,采用溶胶.凝胶法,在蒙脱石悬浮液浓度=1.0％、Ti/土=20 mmol/g,H/Ti=2.0 mol/mol、[HCl]=5 mol/L、V水/V丙酮=1:2,反应时间为3 h,室温交联,可制得层间距d001值达3.74 nm的大孔结构Ti-PILCs,且比表面积可达409.1 m2/g;交联产物的孔道主要是集中在2～4 nm范围内的中孔,热稳定性较好。
　　 然后对交联样品进行焙烧研究,得出焙烧温度、焙烧时间、焙烧升温速度、焙烧气氛等条件对Ti-PILCs材料焙烧样品的物化性能有决定性的影响。经焙烧后Ti-PILCs的d001值分别由焙烧前的3.74 nm下降到d600℃=3.67 nm、d900℃=3.33nm,比表面积由409.1m2/g下降至S600℃=374.3 m2/g、S900℃=358.2 m2/g,焙烧后的Ti-PILCs层间域有序度提高,孔结构趋于规整,热稳定性大于900℃。
　　 研究了钛交联蒙脱石多孔材料的层间结构和性能,并对Ti-PILCs材料应用X射线衍射(XRD)分析、比表面与孔径分布测定、红外分析(FT-IR)、失重差热分析(TG-DSC)、扫描电镜分析(SEM)、透视电镜分析(TEM)和原子力显微镜分析(AFM)等手段进行了表征,同时对Ti-PILCs的层间结构特征和相关机理进行了探讨。
　　 最后将Ti-PILCs作为固体酸催化剂应用于合成二芳基乙烷的Friedel-Crafts烷基化探针反应中,二芳基乙烷的产率最高可达86.33％,说明钛交联蒙脱石具有较好的酸催化性能。
　　 所得实验样品的部分指标在同领域处于领先水平。

目录

文摘

英文文摘

第1章 引言

1.1 选题的研究意义

1.2 交联蒙脱石的研究现状

1.2.1 交联粘土概述

1.2.2 交联蒙脱石的复合制备

1.2.3 交联蒙脱石的层间结构与物化性质

1.2.4 交联蒙脱石的应用

1.3 钛交联蒙脱石

1.3.1 含Ti交联剂的制备

1.3.2 钛交联蒙脱石的晶体结构模型和物化性能

1.3.3 钛交联蒙脱石的应用

1.3.4 国内钛交联蒙脱石研究现状

1.3.5 国外钛交联蒙脱石研究现状与发展趋势

1.4 论文的主要研究内容

第2章 试验原料与研究方法

2.1 试验原料

2.2 试验主要试剂

2.3 研究方法

2.4 性能及结构测试方法

第3章 蒙脱石分散及提纯研究

3.1 膨润土原料的物性分析

3.2 交联蒙脱石基质的要求

3.3 试验流程的确定

3.3.1 分选工艺的选择

3.3.2 试验方法

3.4 基质制备的工艺条件研究

3.4.1 矿样粒度试验

3.4.2 分散剂的种类与用量试验

3.4.3 矿浆浓度试验

3.4.4 搅拌时间试验

3.4.5 其他试验条件的影响

3.5 条件试验结果分析及样品的物性指标

3.5.1 条件试验结果分析

3.5.2 样品物性指标

第4章 钛交联蒙脱石多孔材料复合制备研究

4.1 水解法制备Ti-PILCs

4.1.1 试验方案的确定

4.1.2 试验步骤

4.1.3 水解法制备Ti-PILCs的结果与讨论

4.1.4 水解法制备Ti-PILCs小结

4.2 溶胶-凝胶法(sol-gel法)制备Ti-PILCs

4.2.1 试验方案的确定

4.2.2 试验步骤

4.2.3 溶胶-凝胶法制备Ti-PILCs的结果与讨论

4.2.4 溶胶-凝胶法制备Ti-PILCs小结

4.3 钛交联蒙脱石材料焙烧试验研究

4.3.1 试验步骤

4.3.2 试验过程中一些因素的影响研究

4.3.3 Ti-PILCs焙烧研究小结

第5章 钛交联蒙脱石多孔材料层间结构研究

5.1 钛交联蒙脱石样品的热重/差热检测(TG-DSC)

5.2 钛交联蒙脱石样品的孔径分析

5.2.1 孔径测试结果

5.2.2 N2吸附-脱附等温线分析

5.2.3 孔径分布曲线分析

5.2.4 孔径分析结果讨论

5.3 红外光谱(FT-IR)分析

5.4 扫描电镜(SEM)分析

5.5 透射电镜(TEM)检测

5.6 原子力显微镜检测(AFM)

5.7 本章小结

第6章 钛交联蒙脱石的酸催化性能研究

6.1 试验研究方法

6.2 样品检测及产率计算方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 催化剂用量对二芳基乙烷产率的影响

6.3.2 反应时间对二芳基乙烷产率的影响

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 需要进一步解决的问题

致谢

参考文献

附录:攻读学位期间发表的论文及参与科研项目