具有高吸附性能的活性炭材料以及高催化活性的CuO/CexZr1-xO2材料

摘要

淡水资源的紧缺和污染是人类面临的一个重要的环境问题。各种报道已经指出，吸附是一种经济有效的水处理方法，寻找到一种适用于多种污染物处理，并具有较大吸附容量的吸附剂一直是解决这一问题的关键。同时，对吸附的机理以及吸附容量的影响因素也需要更加深入的讨论。
　　 本文采用KOH对多孔碳材料进行活化，得到的活性炭比表面积在600 m2/g以上，对于大气中二氧化碳和水溶液中的有机染料都具有较高的吸附性能，是一种优良的吸附剂材料。25℃下对二氧化碳的最大吸附量可达4.63 mmol/g，对于水溶液中甲基橙的单层最大吸附量达244 mg/g，吸附过程经过Langmuir和Freundlich热力学方程的验证和拟合，认为吸附过程基本符合Langmuir单层吸附理论，活性炭材料对染料的吸附量受到孔结构的影响，其中孔径0.3-0.4 nm的孔的孔体积的大小直接影响活性炭材料对染料的吸附量。
　　 梧桐树叶来源广泛、廉价易得，将其作为前驱体，通过简单的焙烧制备了一系列的活性炭，样品比表面积在100 m2/g，对水溶液中甲基橙的吸附过程符合热力学方程，经过Langmuir方程计算，400℃焙烧得到的样品LC-400对水溶液中甲基橙的单层最大吸附量达到444 mg/g。较多的微孔孔体积，以及丰富的表面官能团起到了重要的作用。
　　 玉米棒可用于生物质制备合成气，得到半碳化的焦炭废弃物，采用这种玉米棒焦炭废弃物作为前驱体，通过氢氧化钾、硝酸、焙烧等活化方法得到了具有不同结构性质和表面状态的活性炭材料。没有完全碳化而直接活化得到的活性炭材料，比表面积有限，在200 m2/g左右，对水溶液中的有机染料和重金属离子都具有一定的吸附性能，但吸附量较小。对比不同活化方法得到的活性炭材料，我们认为吸附量的大小不仅与吸附剂的结构性质有关，还受到表面有机基团和表面电荷分布情况的影响。
　　 废弃的烟丝粉末是另一种来源广泛、廉价易得的生物质材料，我们以废弃的烟丝粉末为前驱体，采用磷酸活化的方法制备得到了一系列不同的活性炭材料。材料的比表面积为500 m2/g左右，材料对水溶液中对甲基橙、结晶紫和亚甲基蓝都有较高的吸附能力，吸附量在400 mg/g以上，是一种可以普遍适用且价格低廉、无需回收的吸附剂。以甲基橙的吸附为例对吸附的热力学和动力学过程进行了讨论，传统的热力学和动力学并不能准确描述固-液体系的吸附过程，“吸附剂浓度效应”是一种必需考虑的重要因素，它对吸附过程的热力学和动力学方程具有不可忽视的影响，会导致方程以及方程中参数发生变化。
　　 从原子水平上对能源和环境相关的催化反应的研究，已经成为研究者们新的努力目标，从反应机理的角度入手，去设计并合成催化剂是研究催化反应的新课题。氧缺陷一直被认为是一种能够提高催化剂表面活性氧物种、从而提高催化活性的原因，但是奥斯瓦尔德熟化过程会造成氧缺陷的消失，因此需要设计一种合成方法能够有效的保护氧缺陷。
　　 本文采用盐包裹方法制备催化剂的载体与活性组分，将催化剂CuO/CexZr1-xO2用于丙烷的催化氧化反应中。挥发性有机物是大气中的一种主要的污染物，对人体具有危害，催化燃烧是将大气中的挥发性有机物全部转化为水和二氧化碳，是一种经济有效的处理方法，因此本文以丙烷的催化燃烧为探针反应，对盐包裹方法制备的催化剂的催化性能进行的讨论和研究。实验表明采用盐包裹方法制备的催化剂，对丙烷的催化燃烧表现除了更好的催化效果，各种表征手段证明，这种方法制备的催化剂，不管是载体还是活性组分上，都产生了丰富的氧空位，这些氧缺陷提高了催化剂表面吸附氧的量，从而提高了催化剂的催化氧化能力。
　　 此外，还将这种方法制备的Ni/CexZr1-xO2催化剂用于了乙醇的重整制氢和氨分解反应，这种方法制备的催化剂也表现出了一定的优势。盐包裹方法保护了晶体中的缺陷，这种氧缺陷提高了催化剂表面活性氧物种的含量、提高了电子的迁移性，因此使催化剂的氧化性和脱氢性能都有所提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 多孔材料用于离子和染料的吸附

1．1．1 废水的主要成分和危害

1．1．2 污水净化的主要方法

1．1．3 吸附剂的种类

1．1．4 吸附热力学理论

1．1．5 吸附动力学理论

第二节 催化剂与催化反应

1．2．1 催化剂的作用

1．2．2 催化剂的构成和分类

1．2．3 影响催化剂活性的主要因素

1．2．4 纳米催化剂的性质与制备

1．2．5 纳米催化剂纳米粒子形成机理

第二章 高吸附性能的活性炭材料

第一节 多孔活性炭的制备及其吸附性能

2．1．1 引言

2．1．2 实验部分

2．1．3 结果与讨论

2．1．4 本节小结

第二节 梧桐树叶做前驱体制备活性炭用于染料的吸附

2．2．1 引言

2．2．2 实验

2．2．3 结果与讨论

2．2．4 本节小结

第三节 不同活化方法备活性炭用于铜离子和甲基橙的吸附

2．3．1 引言

2．3．2 实验

2．3．3 结果与讨论

2．3．4 本节小结

第四节 烟草为前驱体制备活性炭对于染料的吸附性能

2．4．1 引言

2．4．2 实验部分

2．4．3 结果与讨论

2．4．4 本节小结

本章小结

第三章 高催化活性的CuO／CexZr1-xO2和Ni／CexZr1-xO2材料

第一节 盐包裹方法制备的CuO／CexZr1-xO2催化剂用于丙烷燃烧反应

3．1．1 引言

3．1．2 实验

3．1．3 结果与讨论

3．1．4 本节小结

第二节 盐包裹方法制备的Ni／CexZr1-xO2催化剂用于制氢反应

3．2．1 引言

3．2．2 实验

3．2．3 结果与讨论

3．2．4 本节小结

本章小结

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的论文与研究成果