【摘 要】
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本文研究在乙醇-水-SiO2体系中以SiO2表面的吸附水层作为纳米反应器制备TiO2/SiO2纳米复合材料。论文首先综述了纳米TiO2和其纳米复合材料的性能和应用,对纳米复合材料的制备方法按照是否利用纳米反应器的思路分为传统方法和微尺度反应技术。并将微尺度反应技术分为硬约束型和软约束型两大类进行了详细介绍:硬约束型介绍了多孑L材料和层状硅酸盐作为纳米反应器的机理、特点和应用;软约束型介绍了反相微乳
【机 构】
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浙江大学材料与化学工程学院 浙江大学
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本文研究在乙醇-水-SiO2体系中以SiO2表面的吸附水层作为纳米反应器制备TiO2/SiO2纳米复合材料。论文首先综述了纳米TiO2和其纳米复合材料的性能和应用,对纳米复合材料的制备方法按照是否利用纳米反应器的思路分为传统方法和微尺度反应技术。并将微尺度反应技术分为硬约束型和软约束型两大类进行了详细介绍:硬约束型介绍了多孑L材料和层状硅酸盐作为纳米反应器的机理、特点和应用;软约束型介绍了反相微乳液技术的机理、特点和应用。论文重点介绍了论文研究的新型反应技术——吸附层反应技术的机理和特点,并提出了吸附层反应得以进行的两个关键因素:吸附层的形成和反应发生的具体场所。从吸附、反应和成核生长三个方面总结了吸附层技术的最新研究成果和前期的研究工作,并在此基础上提出了本论文的研究目标和实验思路。
为了更进一步研究吸附层反应的三个过程,作者选择了具有均匀外表面的SiO2作为载体进行初步实验,并与前期研究工作进行了对比。发现两种SiO2表面的吸附具有一定的共性,但吸附层的特性和演变规律却随着表面结构而变化,外表面为主的SiO2由于其均匀的表面以及良好的分散性,更适合系统和深入地研究吸附层反应的三个过程。
针对均匀外表面的SiO2载体,作者设计了不同水量和温度的吸附实验,利用GC和热分析仪测定了吸附速率和吸附层随条件的变化。实验结果表明载体表面的吸附速率较快且不随实验条件而变化,但吸附量的变化却与吸附层的性质相关。SiO2表面吸附可分为化学吸附和物理吸附,单分子化学吸附层以稳定的化学键结合,其吸附量不随温度改变;而以分子间作用力结合的物理吸附层随温度的变化存在一个突变过程。
在吸附实验的基础上,结合现有的固液吸附的研究理论,作者首先将常用于固液吸附的三个模型应用于论文的吸附体系,并根据三个模型的优缺点以及论文吸附体系的特点,建立了逐层竞争吸附模型,利用该模型的计算结果进一步解释了物理吸附和化学吸附随实验条件的不同变化,并得到了与吸附和预实验趋势吻合的吸附量随温度变化曲线。
根据吸附实验和模型的计算结果,设计实验研究了吸附层中钛酸丁酯反应过程的特点及其变化规律。利用分光光度法、能谱仪以及TEM考评其结果,并结合相同条件钛酸丁酯宏观反应过程,得到了钛酸丁酯在微反应器中反应的三个特点:(1)与钛酸丁酯宏观反应过程的反应原理相同,钛酸丁酯在吸附层中的反应过程也分为水解反应和缩聚反应过程:(2)表面吸附层作为微反应器,其中的相对水浓度远远大于体相中的水浓度,因此钛酸丁酯在吸附层中的反应要快于宏观过程,吸附法反应后载体表面的Ti含量也较高;(3)随着水量变化,钛酸丁酯的反应场所逐渐由载体表面向吸附层,最后向乙醇体相中转移。 TiO2在吸附层中的结晶是结合焙烧过程研究的,焙烧会导致TiO2的团聚但影响非常小,因此焙烧后的结果能够间接反应随着反应条件变化TiO2粒子粒径的变化情况。根据XRD以及其晶粒粒径的计算的结果,发现在各个焙烧条件下吸附法得到的TiO2都是纯锐钛矿型且晶粒粒径均在10nm以下。TiO2的晶粒粒径基本不随反应条件(如水量和温度)而改变。
复合材料的性能考评通过光降解低浓度的甲基橙进行,发现吸附法得到的复合材料的光催化性要远优于同样条件下浸渍法得到的TiO2。TiO2的晶粒粒径以及样品中锐钛矿型TiO2的含量是影响光催化活性的主要因素。
本文最后总结了论文工作,并提出了论文没有解决的问题,为以后更深入、系统的研究工作明确了进一步的方向。
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