金属氧化物纳米结构的制备及催化性能研究

辽宁石油化工大学顺华能源学院 毕业设计(论文)用纸I摘 要金属氧化物纳米结构，如纳米棒、纳米线、纳米带、纳米管等，因其独特的结构及其在基础研究领域和工业中的潜在应用引起了人们特别的关注。首先，一维纳米材料被认为是能够有效传输载流子的最低维度结构，是未来纳米电子领域内传输信息最理想的工具。一维纳米材料还因其较小的维度和尺寸而表现出独特的电学、光学和力学特性，在激光、传感、电子显微镜探针等方面有着广泛的应用。另外，一维纳米材料在构造纳米器件方面发挥着重要作用，既可以作为导线，也可以作为基本的功能结构单元。因此，发展新颖、简单、方便的合成技术来制备一维纳米材料一直是合成化学家所追求的目标。染料废水在各种待处理废水中占有相当大的比例，深度处理染料废水的高级氧化技术(AOPS) ，如多相催化氧化法、光催化法、超声技术等近年来得到广泛的研究。但是光催化法在反应器设计上存在问题,而且目前载体种类的拓展和催化剂的负载化也不能有效地解决催化剂的分离和光利用率等关键问题。而超声技术在从实验室走向实际应用中还存在超声反应器的材料、设计、功耗、处理效果、经济成本等关键性问题。多相催化氧化法是借助催化剂的作用，加快氧化剂如H2O2的分解,与有机物迅速反应,在较短的时间内降解有机污染物，由于使用的是固体催化剂，便于回收利用，不会造成二次污染，成为新兴的治理技术。本文采用水热法合成了不同形貌的二氧化锰,并考察了对H 2O2氧化降解酸性品红模拟废水的催化性能，此外，我们还制备了氧化锌纳米结构，考察了其对甲基橙光催化反应的影响。此项研究对于环境保护和经济具有重要的意义。关键词：纳米结构，水热法，光催化，酸性品红，甲基橙 辽宁石油化工大学顺华能源学院 毕业设计(论文)用纸IIAbstractMetal oxide nanostructures, such as nanorods, nanowires, nanobelts, nanotubes, etc. are being particular concerned because of its unique structure and potential application in the field of basic research and industrial . First, the one-dimensional nanomaterials are considered as the minimum dimensions structure to transfer the carrier effectively and the best tools to transfer information inthe field of.nano-electronic in the future. one-dimensional nanomaterials also show the unique electrical, optical and mechanical characteristics,because of their smaller size and dimension ，and they has a wide range of applications in laser, sensor, electron microscopy probe，etc。In addition, one-dimensional nano-materials play an important role in structural components, for they can be used both as a conductor and a basic unit in function and structural . Therefore, developing novel, simple and convenient synthesis technology to prepare one-dimensional nanomaterials is considered as a goal by synthetic chemists.Dye wastewater occupys a large proportion of a variety of wastewater to be processed, advanced oxidation technology (AOPS) to do a deep deal with wastewater, such as the heterogeneous catalytic oxidation, photocatalytic methods, ultrasound technology has been widely studied in recent years. However, Photocatalysis has problems in reactor design, and the expansion of vector species and catalyst Immobilization also can not effectively address the separation,the light utilization efficiency and other key issues. The ultrasound technology still exist reactor materials, design, power, handling effects, economic costs and other key issues to go from the laboratory to practical application. 辽宁石油化工大学顺华能源学院 毕业设计(论文)用纸IIIHeterogeneous catalytic oxidation accelerate the decomposition of oxidants t such as H2O2 with catalys, and rapid response with the organic matter to degradate organic pollutants in a short period of time.it become a new popular technology because of the use of solid catalyst which is easily recycled and will not cause secondary pollution.In this paper,we prerare different morphology of manganese dioxide with hydrothermal ,and study their catalytic performance on H2O2 oxidating and degradating acid fuchsin which considered as wastewater.Besides,we also prepare ZnO nanostructures,and study its affect on photocatalytic reaction of methyl orange which is of great importance for environmental protection and economic.Keywords：Nanostructures ， Hydrothermal， Photocatalytic ，Acid fuchsin，Methyl orange辽宁石油化工大学顺华能源学院 毕业设计(论文)用纸IV目录1 文献综述 .11.1 前言 .11.2 纳米催化剂简介 .21.3 纳米催化剂的应用 .41.4 纳米催化剂的制备方法 .51.4.1 沉淀法 .61.4.2 水解法 .61.4.3 溶剂热合成法 .61.4.4 溶胶一凝胶法 .61.4.5 微乳液法 .71.5 锰氧化物催化剂简介 .71.5.1 锰氧化物的结构及应用 .81.6 金属氧化物的光催化作用 .111.6.1 分布控制的光催化材料。 .121.6.2 富含高活性(001) 晶面的锐钛矿氧化钛 .141.7 锌氧化物催化剂简介 .151.7.1 锌氧化物的性质 .151.7.2 锌氧化物的应用 .161.8 选题的目的和意义 .172 纳米结构锰氧化物的水热合成 .19辽宁石油化工大学顺华能源学院 毕业设计(论文)用纸V2.1 纳米结构锰氧化物的性质及应用 .192.2 MnO2 合成的实验过程 .202.3 ZnO 合成的实验过程 .202.4 实验结果与讨论 .222.4.1 产物形貌与结构分析 .223 纳米结构 MnO2 在处理酸性品红中模拟废水的应用 .233.1 催化反应对象的选择 .233.2 实验方法 .233.3 分析方法 .243.4 结果与讨论 .243.4.1 酸性品红液的标准曲线 .253.4.2 MnO2 对酸性品红溶液的催化氧化作用 .273.4.3 酸性品红溶液的初始浓度对脱色率的影响 .293.4.4 催化剂加入量对脱色率的影响 .303.4.5 H2O2 用量对脱色率的影响 .313.4.6 pH 值对品红脱色率的影响 .323.4.7 MnO2 纳米管和纳米棒对品红溶液脱色率的影响 .333.5 本章小结 .394 氧化锌对甲基橙的光催化作用 .404.1 光催化简介 .404.2 实验方法 .40辽宁石油化工大学顺华能源学院 毕业设计(论文)用纸VI4.3 分析方法 .414.4 结果与讨论 .414.4.1 溶液表面积对甲基橙光催化的影响 .414.4.2 空白实验.424.5 本章小结 .445 结论与展望 .45致 谢 .46参考文献 .47金属氧化物纳米结构的制备及催化性能研究1百手起驾 整理为您金属氧化物纳米结构的制备及催化性能研究1 文献综述1.1 前言200年来，人们对宏观物体与微观基本粒子进行了深入的研究，发现它们虽然化学组成相同，但理化性质却相差很大，因此想象，处于宏观物质与微观粒子之间应该有一个过度状态，物质处于这个颗粒尺寸为0100nm 的过度状态即为纳米微粒和纳米团族。随着显微技术发展到扫描隧道显微镜和原子显微镜，使观察、制备、表征纳米材料成为可能，又由于处于纳米过度状态的物质与处于宏观状态的物质，在电子性质、表面性质等方面异差非常大，一门新的学科一纳米科学技术随即问世。纳米技术是进近年来发展起来的一门新兴技术，纳米材料因其体积效应和表面效应等在磁性、催化、光吸收、热阻和熔点等方面显示出特异的性质，因而受到人们的极大关注。纳米催化技术是非常重要的纳米技术的分支。在过去十年间纳米催化技术（主要是纳米粒子在催化反应中的应用）得到了迅速发展。这方面的研究工作集中在液相中的均相催化技术和负载于基地上纳米粒子的非均相催化技术。纳米粒子具有比响应的体相材料大得多的比表面积因此更适于用作催化剂。1996年，报道合成了不痛形貌的过渡金属纳米粒子，探索了它们在不同催化反应中的潜在应用 1。最近的研究表明对于溶胶中的同一电子迁移反应，不同形貌的铂纳米粒子作为催化剂时表现出不同的活性 2。这种由形貌决定的催化金属氧化物纳米结构的制备及催化性能研究2百手起驾 整理为您作用突出了纳米粒子作为催化剂的优势。显示这些处于纳米粒子棱角和边缘的表面燕子不稳定，在化学反应中易于表现出催化作用，并且使粒子形貌发生改变 3。1.2 纳米催化剂简介纳米材料包括纳米颗粒、纳米薄膜、纳米晶体、纳米非晶体、纳米纤维、纳米块体等。纳米颗粒尺寸大于原子族，小于超细微粒，在1至100nm 之间。纳米颗粒沿一维方向的排布则形成纳米丝；沿二维方向排布则形成纳米膜；沿三维方向排布则形成纳米块体。由于纳米材料颗粒的大小可以人工控制，又由于尺寸小，比表面积大，表面的键态和颗粒内部不同及表面原子配位不全等，从而导致表面的活性部位增加。另外，随着粒经的减小，表面光滑程度较差，形成了凹凸不平的原子台阶，这样就增加了化学反应的接触面。这些性质恰恰满足了纳米催化材料和助剂材料所要求的其颗粒大小、表面积大小、电子性质、吸附性能和催化反应性能等。在催化领域，人们一直在寻找新的搞笑催化剂，纳米微粒以其独特的性质受到了广泛的关注。纳米微粒尺寸小，比表面积大，表面的鉴台和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全，导致表面活性位置增加；关于纳米微粒表面形态的研究表明，随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，从而提高了化学反应的接触面，作为催化剂材料可显著提高催化效率 4,5。（1） 表面特性纳米催化剂的表面特性，出来高比表面积和高表面原子占有率外，其特殊的表面位置对决定特定的催化反应也起着重要作用。Leticia O P6等发现纳米催化剂金属氧化物纳米结构的制备及催化性能研究3百手起驾 整理为您有 16 种表面位置，有些可作为电子给体，有些可作为电子受体：有的为单位配位，有的为双配位，三陪为或四配位。不同的表面位置对外来吸附质的作用不同，从而产生不同的吸附态，导致不同的催化反应机理。纳米催化剂颗粒尺寸小，位于表面的原子占的体积分数很大，产生了相当大的表面能，随着纳米粒子尺寸的减少，比表面积急剧加大，表面原子数及所占的比例迅速增大。例如，某纳米粒子粒径为5nm时， 比表面积为180/g，表面原子所占比例为50，粒径为2nm时，比表面积为450/g，表面原子所占比例为80，由于表面原子数增多，比表面积大，原子配位数不足，存在不饱和键，导致纳米颗粒表面存在许多缺陷，使其具有很高的活性，容易吸附其它原子而发生化学反应。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面输送和构型的变化，同时也引起表面电子自旋、构象、电子能谱的变化。（2） 吸附特性纳米材料具有很大的比表面积，由表面效应所产生的吸附作用是纳米粒子吸附最明显的特征之一。原子氢在催化剂上的吸附方式对催化反应起着重要作用。研究表明，氢在某些过渡金属纳米微粒上呈解离吸附，这对一些有机化合物的还原很有好处。如 Raney 镍是镍铝骨架负载的高分散镍纳米微粒催化剂，对有机化合物还原的活性与选择性都很高。Schmid G7观察到 Rh55 原子簇在（001） 、（100） 、 （311）面有特殊的表面活性，而（111）的活性却大大降低。另外，晶粒形状和不同的晶面的露置程度对于氧纳米催化剂上的吸附就更明显，几乎所有的纳米微粒在有氧气条件下都发生氧化现象，即便是热力学上氧化