溶胶-凝胶法制备锆酸锂材料及其CO2吸附性能

摘要

锆酸锂（Li2ZrO3）作为一种高温CO2吸附材料，具有较高的CO2吸附容量和稳定的吸附/解吸循环性能，受到广泛关注。本文在综合论述CO2高温吸附材料、锆酸锂材料研究现状的基础上，采用溶胶-凝胶法制备纳米锆酸锂粉体和多孔锆酸锂块体材料，系统研究了纳米锆酸锂粉体和多孔锆酸锂块体的溶胶-凝胶制备过程及工艺优化，分析了两种锆酸锂材料的CO2吸附/解吸性能，探究了其CO2高温吸附/解吸原理与模型，为锆酸锂材料在高温吸附CO2领域的应用奠定重要基础。主要研究内容及结果如下:
　　(1)以无机盐八水合氧氯化锆和硝酸锂为前驱体，盐酸为酸催化剂，乙二醇(EG)为络合剂，环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂，采用溶胶-凝胶法制备了纳米锆酸锂材料。干凝胶在650℃热处理后由无定型转变为四方相Li2ZrO3，在900℃时，锆酸锂的晶型由四方相逐渐转变成单斜相;当热处理温度为1000℃时，Li2O的高温挥发导致单斜相Li2ZrO3和单斜相ZrO2共存;热处理后纳米锆酸锂颗粒尺寸主要分布在50～200 nm之间。
　　(2)以无机盐八水合氧氯化锆和二水合乙酸锂为前驱体，65％浓硝酸为酸催化剂，环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂，聚氧化乙烯(PEO)(Mv=1×106)为相分离诱导剂，水和乙醇为溶剂，采用溶胶-凝胶伴随相分离制备了多孔锆酸锂块体材料。PEO在相分离后主要分布在溶剂相中，当PEO添加量为0.120～0.130g，水醇比为2.00ml/3.00ml，PO为0.30ml时，可以制备得到具有贯通大孔、共连续骨架的多孔锆酸锂凝胶块体，大孔孔径主要分布在0.5～1μm，孔隙率为41.2％;干凝胶在400℃热处理后得到四方相ZrO2晶体，在650℃热处理则得到纯四方相的Li2ZrO3，热处理后，多孔块体仍然保持原有的大孔结构，且其孔隙率与骨架密度均有所增加。
　　(3)研究了四方相纳米锆酸锂在不同温度下的CO2吸附/解吸性能。四方相Li2ZrO3具有比单斜相Li2ZrO3更加优异的CO2吸附性能，同时吸附温度对其性能具有较大的影响。在纳米锆酸锂体系中，450～550℃，四方相Li2ZrO3的CO2吸附速率及吸附饱和值随着吸附温度的升高而增大，550～650℃时，随着温度的上升，吸附速率和饱和吸附值则逐渐减小;在550℃，四方相Li2ZrO3的CO2吸附饱和值可达最大，为21wt％;纳米Li2ZrO3在CO2吸附/解吸循环中表现出优异的循环再生性能。
　　(4)研究了锆酸锂多孔块体材料在不同温度下的CO2吸附/解吸性能，随着吸附温度的上升，四方相Li2ZrO3的CO2吸附速率和饱和吸附值逐渐增加，650℃时则达到13.7 wt％，但在吸附/解吸循环过程中，随着循环的进行，CO2吸附量略有下降。因此，有必要对其多孔结构继续改善优化，推动多孔Li2ZrO3材料在高温CO2吸附剂领域具有的应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 CO2高温吸附材料的研究现状

1．2 锆酸锂材料的研究及其应用

1．2．1 锆酸锂材料的研究进展

1．2．2 Li2ZrO3材料的研究现状

1．3 溶胶-凝胶法的研究现状

1．3．1 溶胶-凝胶法的原理

1．3．2 溶胶-凝胶伴随相分离法制备多孔块体研究现状

1．4 研究意义及内容

第二章 实验方法

2．1 实验原料和仪器

2．2 实验过程

2．2．1 纳米锆酸锂粉体的制备

2．2．2 多孔锆酸锂块体的制备

2．2．3 锆酸锂材料的CO2吸附／解吸测定实验

2．3 测试及表征

2．3．1 扫描电子显徼镜(SEM)

2．3．2 透射电子显徼镜(TEM)

2．3．3 热分析(TG／DSC)

2．3．4 红外光谱分析(FT-IR)

2．3．5 X射线衍射分析(XRD)

2．3．6 压汞法测孔结构

第三章 纳米锆酸锂粉体的制备、表征及其CO2吸附／解吸性能

3．1 前言

3．2 纳米锆酸锂的显微结构

3．3 纳米锆酸锂的TG／DSC曲线

3．4 纳米锆酸锂的红外光谱图

3．5 热处理的影响

3．6 纳米锆酸锂的CO2吸附／解吸性能

3．6．1 吸附温度对四方相Li2ZrO3的CO2吸附性能的影响

3．6．2 不同Li2ZrO3晶型对CO2吸附性能的影响

3．6．3 纳米Li2ZrO3的CO2吸附／解吸循环性能

3．7 本章小结

第四章 多孔锆酸锂块体的制备表征及其CO2吸附／解吸性能

4．1 引言

4．2 相分离诱导剂的影响

4．3 凝胶促进剂的影响

4．4 锆酸锂体系溶胶-凝胶伴随相分离机理研究

4．5 溶剂中醇水比的影响

4．6 凝胶温度及时间的影响

4．7 前驱体的影响

4．8 热处理的影响

4．9 锆酸锂多孔材料的CO2吸附／解吸性能

4．9．1 不同晶相的Li2ZrO3对CO2吸附／解吸性能的影响

4．9．2 吸附温度对四方相Li2ZrO3的CO2吸附／解吸性能的影响

4．9．3 多孔Li2ZrO3的CO2吸附／解吸循环性能

4．10 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果