层状铌基纳米复合功能材料的构建与催化应用研究

摘要

本文采用聚合-络合法合成层状铌酸盐KNb3O8，经过离子交换、剥离组装、复合等方法对其进行改性处理，制备了TiO2/Nb3O8和ZrO2/Nb3O8纳米复合功能材料。ZrO2/Nb3O8经硫酸浸渍后，得到超强酸SO42--ZrO2/Nb3O8材料。选用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X-射线衍射(XRD)、激光拉曼光谱(LRS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、氨气吸附程序升温热脱附(NH3-TPD)等技术对催化剂的物理化学性质进行表征。使用液相紫外技术和气相色谱技术分别考察了样品降解亚甲基蓝的光催化性能和对甲苯硝化反应的酸催化性能。
　　结果显示，采用聚合-络合法制备的铌酸盐KNb3O8拥有较规整的层状结构。由于受层间水合质子的影响，酸化后的样品的XRD主晶面峰向小角移动。剥离重组后的样品保留了部分层板结构，但样品的结晶度明显下降。TiO2/Nb3O8和ZrO2/Nb3O8复合材料在保留层状主体的基础上，表面也存在锐钛矿型的TiO2晶体和四方相的ZrO2晶体。
　　光催化降解亚甲基蓝结果表明，前驱体层状铌酸盐KNb3O8及其改性后的样品对亚甲基蓝均有较好的光降解效果。随着层间离子（H+或K+）的变化，样品的光催化性能变化不大。由于TiO2表面几乎没有酸性，而被降解物亚甲基蓝是碱性的，TiO2对于降解物的吸附性能较差，故其光催化性能也较差。而纳米片改性和纳米微晶的复合改性提高了样品的比表面积，提高了它们对亚甲基蓝的吸附量，光催化效果也明显增强。
　　甲苯定域选择性硝化反应结果表明，前驱体层状铌酸盐和其改性后的样品对于甲苯定域选择性硝化反应都有很好的酸催化效果。H+离子交换层间K+离子后，样品的酸催化性能不好。这是由于HNb3O8的层间距太小，反应物分子难以进入层间与活性位点的质子接触。而纳米片改性以及纳米微晶的复合改性提高了样品的比表面积、酸量和酸强度，故它们的酸催化效果较好。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 层状KNb3O8的合成及改性

1．1．1 层状KNb3O8的应用与合成方法简介

1．1．2 层状KNb3O8的改性

1．2 改性层状金属氧化物在光催化领域中的应用

1．2．1 研究现状

1．3 改性层状过渡金属氧化物在甲苯硝化反应领域中的应用

1．3．1 研究现状

1．3．2 存在的问题

1．4 本课题思路

1．4．1 光催化降解有机染料亚甲基蓝的研究思路

1．4．2 甲苯选择性硝化的研究思路

1．5 本课题的研究内容

2 KNb3O8及其酸化、剥离改性样品的制备与表征

2．1 实验部分

2．1．1 实验仪器及其设备

2．1．2 KNb3O8前驱物的制备

2．1．3 KNb3O8酸化及剥离

2．1．4 样品表征

2．2 结果与讨论

2．2．1 样品的形貌分析

2．2．2 样品的XRD分析

2．2．3 样品的骨架振动结构分析

2．2．4 样品的酸性质分析

2．3 本章小结

3 HNb3O8纳米片与TiO2纳米微晶复合功能材料的结构特征与光催化性能

3．1 实验部分

3．1．1 实验试剂及其设备

3．1．2 样品制备

3．1．3 样品表征

3．1．4 样品的光催化性能测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 TiO2／Nb3O8的XRD分析

3．2．2 TiO2／Nb3O8复合物的比表面积及孔径分布分析

3．2．3 TiO2／Nb3O8的Raman光谱分析

3．2．4 TiO2／Nb3O8的光催化性能

3．3 本章小结

4 HNb3O8纳米片与氧化物ZrO2纳米复合功能材料的结构特征与酸催化性能

4．1 实验部分

4．1．1 实验仪器及其设备

4．1．2 催化剂的制备

4．1．3 样品表征

4．1．4 样品的酸催化性能测试

4．2 结果与讨论

4．2．1 复合及硫酸浸渍后样品的XRD分析

4．2．2 样品的Raman图谱分析

4．2．3 样品的比表面积及孔径分布

4．2．4 样品的酸性质分析

4．2．5 样品的酸催化性能

4．3 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果