三维有序大孔FeO的制备、表征及甲苯氧化催化性能的研究

摘要

多孔过渡金属氧化物因高的比表面积、大的孔容和发达的孔结构而使其在电、磁、吸附和催化等物理和化学领域具有很大的应用前景。多孔材料中的介孔可以选择性地容纳客体分子，所具有的高比表面积有利于气体分子吸附。介孔材料作为载体也有利于活性组分在其表面的分散。大孔结构则可降低传质阻力和促使客体分子到达活性位。而同时兼有大孔和介孔双模孔结构的材料具有更优异的性能。研究表明，过渡金属氧化物对挥发性有机物氧化反应显示出良好的催化活性，Fe2O3是其中一种常用的催化材料，能有效地催化有机物的氧化反应。将Fe2O3制成孔壁为介孔的三维有序大孔(3DOM)材料，并用于催化消除挥发性有机物的研究目前尚无文献报道。
　　 本文研究工作采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球作为硬模板和三嵌段共聚物EO20PO70EO20(P123)作为软模板剂，合成了具有蠕虫孔状介孔孔壁的3DOM结构的菱方相Fe2O3。采用XRD、HRSEM、HRTEM/SAED、TGA/DSC、FT-IR、H2-TPR、XPS、UV-Vis和BET等技术表征了这些多孔材料的物化性质，评价了其对典型挥发性有机物（即甲苯）氧化反应的催化性能。结果表明，在合成过程中，不加表面活性剂P123可得到无孔孔壁的三维有序大孔α-Fe2O3:而加入P123则可获得高质量的具有较高比表面积(32～46m2/g)和多晶介孔孔壁的3DOMα-Fe2O3。表面活性剂P123对介孔结构的形成起到关键作用。此外，对双模孔结构的氧化铁的形成机理也进行了讨论。所得多孔α-Fe2O3的表面具有多种价态的铁离子（Fe3+和Fe2+）和表面吸附氧物种，但其铁离子价态分布和表面吸附氧量存在差异。多孔氧化铁比体相氧化铁显示更好的低温还原性能。三维有序大孔骨架结构和介孔孔壁的共存使得氧化铁的带隙能下降。在甲苯浓度为1000ppm、甲苯/氧气的摩尔比为1/20和空速为20000mL/(g·h)条件下，由双模板法在Fe/P123摩尔比=58条件下所合成处的Fe2O3样品对甲苯完全氧化的催化活性最好，其中T50％和T90％（甲苯转化率分别达50％和90％时所需反应温度）分别为240℃和288℃，显著低于体相Fe2O3的T50％和T90％(均高于380℃)。所得双模孔结构的氧化铁对甲苯氧化反应表现出优良的催化性能是与其较多的吸附氧物种量、较大的比表面积、较好的低温还原性以及双模孔结构有关。我们相信，具有三维有序大孔结构和介孔孔壁的氧化铁在多相催化、光催化及物理领域将具有应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 相关领域国内外研究进展

1.2.1 介孔分子筛发展及其制备方法

1.2.2 大孔材料发展及其制备方法

1.2.3 催化剂的选择

1.3 课题来源

1.4 主要研究内容及目标

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究目标

第2章 实验及测试方法

2.1 化学试剂和实验仪器

2.2 催化剂制备

2.2.1 单分散PMMA微球的合成

2.2.2 硬模板法合成3DOM Fe2O3

2.2.2 双模板法合成具有蠕虫状介孔孔壁结构的3DOM Fe2O3

2.3 催化剂表征技术

2.3.1 X射线衍射技术(XRD)

2.3.2 热重与差热测定技术(TGA/DSC)

2.3.3 傅立叶变换红外光谱测定技术(FT-IR)

2.3.4 高分辨电子扫描电镜(HRSEM)

2.3.5 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)

2.3.6 选区电子衍射(SAED)

2.3.7 比表面积的测定技术(BET)

2.3.8紫外-可见性能分析（UV-Vis）

2.3.9 X射线光电子能谱分析(XPS)

2.3.10 氢气程序升温还原(H2-TPR)

2.3.11 催化剂活性评价

第3章 3DOM Fe2O3的制备、表征及催化性能

3.1 引言

3.2 3DOM Fe2O3的制备及表征

3.2.1 XRD分析

3.2.2 TGA/DSC分析

3.2.3 FT-IR分析

3.2.4 HRSEM分析

3.2.5 HRTEM/SAED分析

3.2.6 BET分析

3.2.7 UV-Vis分析

3.2.8 XPS分析

3.2.9 H2-TPR分析

3.2.10 甲苯催化性能

3.2.11 合成机理分析

3.3 本章小节

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文和申请的专利

致谢