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从工业TiOSO_4液合成介孔二氧化钛分子筛的工艺及机理研究

作　者: 田从学
导　师: 张昭
学　校: 四川大学
专　业: 化学工艺
关键词: 介孔二氧化钛硫酸钛水解超分子模板外场作用模板剂脱除催化性能介孔形成机理
分类号: TQ424.25
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

相对硅基、铝基骨架介孔材料，介孔二氧化钛合成中存在的困难较多，主要有合成用的起始钛源（钛醇盐、钛酸酯或试剂级无机钛等）成本高、模板剂脱除不理想并易引起孔结构破坏坍塌、介孔二氧化钛骨架晶型差等问题。本文的目的在于探索以价廉的粗原料合成高性能介孔二氧化钛的可能性，合成介孔二氧化钛前驱体的各影响因素，特别是超声波、微波等外场作用对介孔结构的影响、有效的脱模方式、介孔结构的形成和稳定机理等对介孔结构的影响，建立制备介孔二氧化钛的新工艺。本论文以钛铁矿酸解得到的工业硫酸氧钛溶液作为起始钛源，在复合表面活性剂自组装的超分子结构模板诱导作用下进行水解，使水解产物的结构受到控制，形成具有介孔结构的二氧化钛前驱体，之后采用氧化、萃取和焙烧相结合的方式脱除前驱体中的表面活性剂模板，制备出比表面积大、结构稳定的锐钛矿型介孔二氧化钛。通过实验研究和XRD、HRTEM、TEM、SEM、FT—IR、XPS、AFM、低温氮吸附脱附等分析测试表征，考察了介孔TiO₂合成的工艺条件和影响因素，特别是外场作用和模板剂脱除方法对其结构的影响，并选取光催化降解亚甲基蓝和酸催化体系评价其催化性能。基于实验和分析测试结果，对强酸性水介质中介孔TiO₂前驱体的形成过程及合成机理作了分析探讨，用Rietveld方法对XRD测试数据进行结构精修，说明前躯体脱模过程对晶体结构产生的影响。实验研究和分析结果可归纳如下：1．以工业硫酸氧钛液为原料，通过模板剂形成的超分子结构诱导钛水解合成介孔TiO₂前驱体的工艺条件对介孔结构的形成及晶型至关重要。（1）表面活性剂十二胺、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、三嵌段共聚物P123等作模板剂有良好的结构导向作用，由CTAB／P123形成的复合模板剂更优；（2）采用工业钛液向表面活性剂溶液中滴加的方式，选择适当的模板剂用量及钛液浓度，并保持反应体系的pH值在1.5左右，可以很好地控制钛离子的水解缩聚速率及与模板剂之间的界面组装速率，可获得结构良好的介孔TiO₂前驱体，同时可避免杂质铁等的析出；（3）提高合成温度（75℃以上）和延长合成时间，利于孔壁的晶化和孔道有序性的提高；（4）提高陈化温度和进行水热后处理（120℃）利于前驱体孔壁晶化，提高孔道有序性和结构稳定性。在此基础上，采用复合模板（CTAB／P123）为结构导向剂，由工业硫酸氧钛液水解合成介孔前驱体，多步焙烧脱除模板，得到孔径分布窄、结构稳定的锐钛型介孔TiO₂分子筛，平均孔径为3.0nm，BET比表面积为132.6m²／g。2．在介孔TiO₂前驱体合成中引入外场作用能促进产物的晶体结构完善和孔结构形成，所得产物的比表面积和稳定性均显著提高。超声辐照和微波辐照利于提高介孔结构的有序度；微波辐照所得产物的比表面积达146.6 m²／g；水热合成强化了无机物种与表面活性剂的相互作用，同时使孔壁缩聚晶化，提高了介孔结构的稳定性。3．适宜的脱模方法对稳定介孔TiO₂结构有重要作用。采用臭氧氧化、多次萃取、多步焙烧的综合脱模路线脱除有机复合模板剂CTAB／P123较完全，得到比表面积高(S_BET=133m²／g)，平均孔径大(D_BJH=4.65nm)的锐钛矿型介孔TiO₂。前驱体经臭氧氧化后，模板剂被氧化成短链、小分子有机物，可减小后续脱模过程的阻力；盐酸／无水乙醇的萃取体系使孔道中模板剂的表面活性降低，与骨架结构的作用减弱，通过多次萃取后，模板剂脱除率达53％以上，有效降低了后期热处理强度；采用125℃焙烧1h，300℃焙烧1h，450℃焙烧2h的多步焙烧方式，可减小因长时间高温焙烧容易造成的无机骨架网络收缩、骨架结构损坏、骨架电荷平衡破坏所致的分子筛孔结构破坏坍塌的负效应，使模板剂脱除干净，获得结构稳定的锐钛矿型介孔TiO₂。4．介孔TiO₂的结构及表面特性对其催化性能影响较大。由工业硫酸氧钛溶液合成的介孔TiO₂前驱体经脱模处理后呈锐钛矿晶型，有较大的比表面积和小的颗粒尺寸，表面吸附和键合的少量SO₄^2-使其表面具有催化活性的酸中心。介孔TiO₂在光氧化分解亚甲基蓝和乙酸乙醇酯化反应中有较高的催化活性，降解率和酯化率分别达98.4％和91％；介孔YiO₂对催化高酸值麻疯油与甲醇酯化反应也表现出一定催化活性。5．研究了在强酸性水体系中通过CTAB／P123复合模板的超分子诱导自组装合成路线，由工业硫酸氧钛溶液制备介孔TiO₂的形成过程，所得产物为具有二维六方孔道、比表面积大(S_BET=205.7 m²／g)、孔径分布窄的锐钛型介孔TiO₂。介孔TiO₂前驱体的形成过程属协同作用机理，其特征归纳为如下几点：（1）反应体系pH值对钛水解初级粒子与模板剂协同作用影响较大，二者通过静电作用（S⁺I^-）和氢键作用（N⁰I⁰）两种方式在界面协同作用：（2）调控pH值不仅使钛离子水解缩聚的速率与表面活性剂自组装速率相匹配，且能控制杂质的析出；（3）适当提高合成温度有利于大孔径介孔材料的形成；（4）增长复合表面活性剂疏水链有助于大孔径介孔材料的合成；（5）无机强电解质阴、阳离子的加入有一定扩孔作用；（6）介孔二氧化钛前驱体合成体系中钛水比和酸钛比对无机钛离子水解速率（H）或抑制速率（p）影响较大，硫酸氧钛液合成体系大的H／p比值导致钛离子水解加速，胶束尺寸变小，使介孔材料孔径缩小。6．介孔TiO₂脱模过程中，界面作用的变化对晶体结构和微观应变造成一定影响，同时产生原子缺位。萃取脱模对晶体结构影响远弱于焙烧处理，增大萃取脱模量可有效降低焙烧强度，提高介孔TiO₂的稳定性。

全文目录

摘要  9-12
Abstract  12-16
第1章绪论  16-56
  1.1 介孔材料概述  16-37
    1.1.1 介孔材料的定义  16-17
    1.1.2 介孔材料研究进展  17-18
    1.1.3 介孔分子筛的类型  18-20
    1.1.4 介孔材料的性能  20
    1.1.4 介孔材料的性能  20
    1.1.5 介孔材料的合成方法  20-24
      1.1.5.1 柱撑法  21
      1.1.5.2 自组装法  21-24
    1.1.6 介孔材料的表征方法  24-25
      1.1.6.1 介孔分子筛的表征内容  24
      1.1.6.2 介孔分子筛的表征技术  24-25
    1.1.7 介孔材料的合成机理  25-35
    1.1.8 介孔材料的应用  35-37
  1.2 介孔TiO_2的性质及研究进展  37-44
    1.2.1 TiO_2的基本性质及用途  37-38
    1.2.2 介孔二氧化钛的合成及应用  38-44
      1.2.2.1 介孔二氧化钛的合成  38-43
      1.2.2.2 介孔二氧化钛的应用  43-44
  1.3 本课题的意义及主要研究内容  44-46
  参考文献  46-56
第2章介孔TiO_2前驱体合成影响因素研究(I)  56-88
  2.1 引言  56-60
    2.1.1 以有机钛源为原料合成介孔TiO_2  56-57
    2.1.2 以无机钛源为原料合成介孔TiO_2  57-58
    2.1.3 工业硫酸钛液为原料合成TiO_2  58-60
  2.2 实验部分  60-66
    2.2.1 实验材料与仪器  60-62
    2.2.2 实验内容  62-65
      2.2.2.1 钛源  62-63
      2.2.2.2 模板剂  63
      2.2.2.3 加料方式  63
      2.2.2.4 模板剂用量  63
      2.2.2.5 钛液浓度  63-64
      2.2.2.6 水解pH值  64
      2.2.2.7 合成时间  64
      2.2.2.8 合成温度  64-65
    2.2.3 分析测试与表征  65-66
  2.3 结果与讨论  66-83
    2.3.1 钛源的影响  66-69
    2.3.2 模板剂的影响  69-71
    2.3.3 加料方式的影响  71-74
    2.3.4 模板剂用量的影响  74-76
    2.3.5 钛液浓度的影响  76-78
    2.3.6 水解pH值的影响  78-79
    2.3.7 合成时间的影响  79-80
    2.3.8 合成温度的影响  80-83
  2.4 本章结论  83-84
  参考文献  84-88
第3章介孔TiO_2前驱体合成影响因素研究(II)  88-122
  3.1 引言  88-91
  3.2 实验部分  91-94
    3.2.1 络合剂  91
    3.2.2 陈化温度  91
    3.2.3 溶剂体系  91-92
    3.2.4 添加阳离子  92
    3.2.5 添加阴离子  92-93
    3.2.6 合成后处理  93
    3.2.7 复合模板剂合成和介孔结构表征  93-94
  3.3 结果与讨论  94-117
    3.3.1 络合剂的影响  94-96
    3.3.2 陈化温度的影响  96-98
    3.3.3 溶剂体系的影响  98-100
    3.3.4 阳离子的影响  100-102
    3.3.5 阴离子的影响  102-106
    3.3.6 后处理方式的影响  106-112
    3.3.7 复合模板合成介孔TiO_2分子筛的表征  112-117
  3.4 本章结论  117-118
  参考文献  118-122
第4章外场作用对介孔TiO_2合成的影响  122-139
  4.1 引言  122-125
  4.2 外场作用下介孔TiO_2的制备  125-126
    4.2.1 实验材料与仪器  125
    4.2.2 外场作用下的介孔TiO_2合成实验  125-126
    4.2.3 合成产物的表征  126
  4.3 结果分析与讨论  126-135
    4.3.1 产物的衍射及形貌分析  126-130
    4.3.2 产物的孔结构及表面分析  130-135
  4.4 本章结论  135
  参考文献  135-139
第5章介孔TiO_2分子筛模板剂的脱除研究  139-171
  5.1 分子筛脱模概述  139-143
  5.2 实验部分  143-145
    5.2.1 介孔TiO_2分子筛前驱体的合成  144
    5.2.2 氧化法脱除模板剂实验  144
    5.2.3 萃取法脱除模板剂实验  144-145
    5.2.4 焙烧法脱除模板剂实验  145
  5.3 实验结果与讨论  145-166
    5.3.1 介孔TiO_2分子筛前驱体的合成  145-149
    5.3.2 臭氧氧化法脱除模板剂  149-152
    5.3.3 萃取法脱除模板剂  152-159
      5.3.3.1 萃取剂的选择  152-153
      5.3.3.2 不同萃取方式脱除模板剂  153-155
      5.3.3.3 分级萃取脱除模板剂  155-159
    5.3.4 焙烧法脱除模板剂  159-166
      5.3.4.1 一步焙烧法脱除模板剂  159-162
      5.3.4.2 多步焙烧法脱除模板剂  162-166
  5.4 本章结论  166-167
  参考文献  167-171
第6章介孔二氧化钛光催化及催化性能评价  171-188
  6.1 概述  171-173
  6.2 实验部分  173-175
    6.2.1 催化剂的合成  174
    6.2.2 光催化性能评价实验  174-175
    6.2.3 乙酸与乙醇酯化反应催化性能评价实验  175
    6.2.4 高酸值麻疯油与甲醇酯化反应催化性能评价实验  175
  6.3 结果与讨论  175-183
    6.3.1 催化剂结构性质  175-178
    6.3.2 光催化性能评价  178-180
    6.3.3 乙酸乙醇酯化反应催化性能评价  180-182
    6.3.4 高酸值麻疯油与甲醇酯化反应催化性能评价  182-183
  6.4 本章结论  183-184
  参考文献  184-188
第7章介孔TiO_2超分子诱导自组装合成机理研究  188-212
  7.1 引言  188-190
  7.2 实验部分  190-191
  7.3 介孔TiO_2的形成过程及合成机理  191-205
    7.3.1 介孔TiO_2的结构表征  191-198
    7.3.2 介孔TiO_2的形成过程分析及合成机理  198-204
    7.3.3 合成介孔结构前驱体的工艺特点  204-205
  7.4 前驱体脱模对介孔TiO_2晶体结构的影响  205-208
  7.5 本章结论  208-209
  参考文献  209-212
第8章结论与建议  212-216
  8.1 结论  212-214
  8.2 进一步工作建议  214-216
附录一容量法测定钛液总钛含量  216-218
附录二结构精修图  218-220
攻读博士学位期间发表的学术论文及成果  220-223
致谢  223

从工业TiOSO_4液合成介孔二氧化钛分子筛的工艺及机理研究

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