催化基础实验讲义

1、催化基础实验讲义实验一 纳米TiO2的制备一、实验目的：1. 了解纳米的概念2. 了解纳米材料具有的性质3. 掌握纳米TiO2的制备二、实验原理：纳米材料是指材料粒径介于1- 100 nm 之间。一维纳米材料指在三维空间至少有一维处于纳米范畴，如超薄膜材料，超晶格。二维纳米材料指在三维空间至少有两维介于纳米范围，如纳米丝，纳米棒，纳米管。三维纳米材料指在三维尺度上均属于纳米范围，一般指纳米颗粒，纳米团簇。纳米材料具有以下效应：(1)表面效应 (2)量子尺寸效应 (3)小尺寸效应(4)宏观量子隧道效应。纳米TiO2是一种重要的功能材料。尤其它优良的光电化学特性，可用以设计制造光催化分解制氢、太阳

2、能电池、光催化固氮合称氨、光催化氧化降解水和大气中的有机污染物及有害气体。从而在能源、环保、建材、医疗卫生等领域有重要应用前景。TiO2合成方法很多，常见的有气相法、液相法和溶胶凝胶法等。钛酸四丁酯醇盐水解法原理如下：TiOC4H9+HOHTiOH+ C4H9OH (水解反应)TiOC4H9+ C4H9OTiTiOTi+ C4H9OC4H9 (1)TiOC4H9+HOTiTiOTi+ C4H9OH (2)TiOH+ HOTiTiOTi+H2O (3)在室温下，（1）、（2）反应进行的很慢，而（3）反应很快，因此钛酸四丁酯水解生成的有机物主要是C4H9OH，在高温焙烧时易于分解除去。产品纯度较高

3、。三、药品和实验仪器： 1. 钛酸四丁酯 2. 无水乙醇(99.7%) 3. 去离子水4. 磁力搅拌器 5. 量筒(10 ml) 2支 6. 水循环式真空泵 7. 布氏漏斗（直径8 cm） 8. 定性滤纸9. 烧杯（250 ml；100 ml） 10. 胶头滴管 11. 玻璃棒 12. 水浴锅13烘箱14. 剪刀（公用）15. 洗瓶16. 坩埚四、实验步骤实验前容器均需干燥无水。量取10 ml钛酸四丁酯置于100 ml的烧杯中，用另一支量筒量取10 ml无水乙醇，用10 ml无水乙醇冲洗量过钛酸四丁酯的量筒，然后用玻璃棒将乙醇和钛酸四丁酯混合均匀。量取100 ml去离子水中于250 ml烧杯中

4、，强力搅拌，用滴管将乙醇和钛酸四丁酯混合液逐滴加入到去离子水中，于85水浴（或者烘箱）加热1小时水解，抽滤生成的白色沉淀，用去离子水洗涤，沉淀于120烘干，500焙烧2小时，便得锐钛相TiO2粉体。称重，计算产率。样品保留，测试XRD用。五、思考题 1.要想制备晶粒尺寸小的纳米TiO2粉体，本实验的关键操作有那些？ 2.如要是沉淀分散的很好，可以采取什么措施？ 3.要想获得高比表面的，可以采取什么措施？ 4.判断所制备的TiO2是否是锐钛相、是否处于纳米尺度可以采用什么手段？实验二 催化剂的XRD表征一、实验目的：1. 了解X射线产生原理和特征2. 了解晶体结构3. 掌握XRD测试原理4掌握布

5、拉格方程二、实验原理：当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。面网“反射”X射线产生的条件如下图所示.面网1，2，3代表晶面符号为(hkl)的一组平行面网，面网间距为d。当X射线以掠角(入射角的余角)入射到某一点阵晶格间距为d的晶面上时,在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。布拉格方程简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。当 X射线波长已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一角符合布拉格方程条件的反射面

6、得到反射,测出后，利用布拉格方程即可确定点阵晶面间距、晶胞大小和类型;根据衍射线的强度,还可进一步确定晶胞内原子的排布。 布拉格方程：n=2dsin 式中d为晶面间距，为入射束与反射面的夹角，为X射线的波长，n为衍射级数，其含义是：只有照射到相邻两镜面的光程差是X射线波长的n倍时才产生衍射。 Scherrer公式L=k/(Bcos)，式中是衍射角辐射的波长，本实验中=1.5405唉；k为常量，取值0.89；B是半波高的线宽；为衍射角 通过半波高的线宽可以计算材料的晶粒大小。三、药品和实验仪器： 1. DX-2600 X射线粉末衍射仪 2. 醇盐水解法制备的TiO2样品四、实验步骤1. 制备待分

7、析物质样品：用盲孔板或者通孔板，将样品压片均匀平整。2. 将制好样的玻璃板插入分析槽，设置分析参数。电压：35 kV ;电流20 mA; 扫描步径：0.02 °；2扫描范围：1090°。 点击开始测量。3. 样品扫面完后存储数据，检索PDF卡片。4. 核对PDF卡片与物相判定。 5. 计算晶粒大小。 6. 注意事项：样品在分析测试过程中，不准打开XRD的窗门，也不准随意点击停止，更不准随意关闭电源。 五、思考题1. 如果样品的衍射峰尖锐说明了什么？如果衍射峰宽化又说明了什么？2. 材料具有多个晶面，每个晶面对应一个粒径，那么材料的平均粒径如何计算？3. 扫描速度的快慢是否影

8、响材料特征衍射峰的位置？4. 对于负载型催化剂，如果负载量超过30 %仍没有检测到活性组分说明了什么？ 实验三 等孔体积浸渍法负载活性组分一、实验目的：1了解材料孔的分类2. 掌握等孔体积浸渍法3. 掌握活性组分负载量的计算二、实验原理： 催化剂载体具有孔结构。孔分为微孔(孔径小于2 nm)、介孔(孔径250 nm)、大孔(孔径大于50 nm)。孔与活性位关系见下图。孔多孔固体活性位将活性组分负载在孔内可采用浸渍法。浸渍法分为过量浸渍法、等孔体积浸渍法、多次浸渍法、浸渍沉淀法、流化喷洒浸渍、蒸气相浸渍。等孔体积浸渍法系将载体与它可吸附体积的浸渍溶液相混合，由于浸渍溶液的体积与载体的孔体积相当，

9、只要充分混合，浸渍溶液恰好浸没载体颗粒而无过剩，可省略废浸渍液的过滤与回收操作。浸渍液体积是浸渍化合物性质和浸渍液粘度的函数。确定浸渍溶液体积，应预先进行实验测定。实际操作时，是将需要量的活性物质配成水溶液，然后将一定量的载体浸渍其中。本实验是在SiO2表面负载Fe2O3，为保证水孔体积测试准备，本实验采用超声波分散。三、药品和实验仪器：1. 薄层层析硅胶(SiO2,分子量60)2. 硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O分子量404; Fe(NO3)3分子量241.86; Fe2O3分子量160)3. 去离子水4 烧杯（100 ml）5. 10 ml吸量管6. 吸耳球7. 超声波清洗机

10、8. 数显恒温水浴锅9. 烘箱10. 电子天平11. 坩埚四、实验步骤准称10g 硅胶于100 ml烧杯中，用10 ml吸量管移取10 ml 去离子水，逐滴将水滴加到硅胶中，边滴加边超声分散，直至达到滴加的水使硅胶干而不湿、湿而不干，准确记录下所用水的体积，该体积即为10 g硅胶的等孔体积。将浸渍过水的硅胶集中收集，同时用滤纸将烧杯擦拭干净。本实验中，活性组分为Fe2O3,如果使Fe2O3负载量是10g硅胶质量的1%(注意：活性含量也可以是原子比，也可以是整个催化剂的质量百分数；看研究需要而定)，则准确称取Fe(NO3)3·9H2O 0.5050 g或者Fe(NO3)3 0.3023

11、g 溶于去离子水中(上一步实验中所消耗的水的体积，去离子水先置于烧杯zhong )，准称10 g硅胶倒入蒸发皿中，超声分散10 分钟后再放置30分钟使浸渍溶液在孔内充分分配。将蒸发皿放到水浴锅中(温度调为80)，用玻璃棒不断搅拌，待大部分水分蒸发后，将水浴温度调为100(升温过程中也要持续搅拌)，100炒干。120烘干，研细，300保温1小时使硝酸盐充分分解，500焙烧即可得Fe2O3/ SiO2负载型催化剂。样品保留，做比表面测试用。五、思考题1. 选择活性组分前驱盐应该从那些方面考虑？2. 浸渍多组分活性组分时，将多组分活性组分前驱盐配置在同一溶液中一次浸渍能否达到活性组分分布均匀的目的？

12、如不能，可采取哪些措施？3. 用等孔体积浸渍法要想获得负载量较高且分布均匀的活性组分，对载体有何要求？4. 水分蒸发速度过快则活性组分是否还负载在材料的孔内？如果不在孔内则分布在哪个位置？是否均匀？实验四 非贵金属氧还原催化剂电催化性能测试实验（演示）一、实验原理燃料电池（Fuel Cell）是一种直接将化学能转化成电能的发电装置。燃料电池具有以下显著特点：发电效率高，其能量转化率可高达40%60%；环境友好，若以纯氢为燃料，其排放产物只有水；安静；可靠。因此燃料电池是具有能源改革意义的一种全新的能量转化装置，被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统，是继火力发电、水力发电和核能利用后的第

13、四类发电技术。质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化应用的主要障碍是氢阳极氧化(HOR)和氧阴极还原反应(ORR)都需要用到昂贵的铂基催化剂，使得电池成本过高。特别是ORR所需的Pt负载量远大于HOR催化剂，因此开发出具有良好ORR催化活性的非贵金属催化剂是燃料电池大规模应用的最终解决途径。图1 线性扫描伏安法的电压波形和电流响应示意图线性电位扫描伏安法，是施加以一定速度变化的电压信号于电解池上，或工作电极电位随外加电压线性变化，记录电流-时间或电流-电位曲线的方法，其电压波形和电流响应如图1所示。本实验用该方法测定MnN/C催化剂在硫酸溶液中的氧还原催化性能。在扫描曲线中，单质氧起始还原电位的正负可以表征催化剂催化活性的优劣：起始还原电位越正，表明催化活性越好；反之，则越差。起始电位依据以下标准进行判断：在电位负向扫描过程中，出现明显的还原电流时所对应的电位。也可运用峰值电流和峰值电位的大小来判断催化活性的优劣。二、仪器和原料CHI660D电化学工作站，Pt片电极，饱和甘汞电极，铂盘电极，玻碳电极，MnN/C催化剂，乙炔黑，0.5M 硫酸溶