基于CuO-TiO2-P2O5玻璃的多孔材料制备与性能研究

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多孔材料具有高的比表面积、大的吸附容量,化学性能稳定、孔径可控、化学及热稳定性比较好,被广泛应用于催化、吸附与分离等众多领域。以功能晶相为骨架的多孔微晶玻璃材料不仅具有高的比表面积等特点,还可通过调控晶相的种类制得不同性能的多孔材料。本论文在制备不同组成的 CuO-TiO2-P2O5系统玻璃基础上,经析晶?酸处理工艺制备了不同的多孔材料。利用 XRD、SEM、FTIR 和 N2等温吸附等测试手段对样品结构进行表征,并研究了多孔材料的吸附及光催化性能。  论文的主要研究内容和结论如下:  1. 以 CuO、TiO2 和 H3PO4 为原料,采用高温熔融-水淬的方法得到组成为CuO?xTiO2?(50?x)P2O5 (x=5、10、15、20和25) 的基础玻璃。结果表明:随着玻璃组成中TiO2含量的增加,玻璃的析晶加剧,析晶CuTi2(PO4)3相增多。依据差热分析结果对基础玻璃进行热处理,将热处理后制备出的微晶玻璃在0.5 mol/L的硫酸中室温下腐蚀三天,制得主晶相为CuTi2(PO4)3的多孔材料,其中TiO2含量为20 mol%的样品的比表面积最大,达14.86 m2/g。实验证明室温下盐酸和硫酸对多孔样品中晶相的类别无影响。但经80℃盐酸腐蚀样品可以得到主晶相为Ti2O3(H2PO4)2?2H2O、比表面积达75 m2/g的多孔材料。  2. 采用高温熔融-水冷压片的方法成功制备出组成为 xTiO2?(70?x)CuO?30P2O5 (x=10~30) 的基础玻璃。红外光谱分析表明随着玻璃组成中TiO2含量的升高,玻璃的网络结构得到强化,这主要是由于钛离子的场强比较大而导致的积聚作用比较明显。随着玻璃组成中TiO2含量的增加,热处理样品中CuTi2(PO4)3 相的相对含量越来越高。制备的微晶玻璃在80℃盐酸中腐蚀24 h后得到主晶相为Ti2O3(H2PO4)2?2H2O的多孔材料,当玻璃组成中TiO2含量超过20 mol%时,制得含有锐钛矿型TiO2晶相的多孔材料。其中由TiO2含量为15 mol%玻璃制得的多孔材料的比表面积最大,达122 m2/g,样品由二维纳米片构成。  选取比表面积最大的样品进行亚甲基蓝(初始浓度5 mg/L)吸附实验,结果显示:样品在黑暗条件下对水溶液中亚甲基蓝的去除效率达89.76%。含有锐钛矿型TiO2晶相的多孔材料(由TiO2含量为25 mol%玻璃制得)对水溶液液中亚甲基蓝的吸附及光催化效率分别达43.75%和40.17%,总的除去亚甲基蓝的效率达67.49%,样品与商用P25性能 (总效率为73.76%) 接近。  3. 采用熔融-冷却 (或水冷压片) 法制出以组成 xMO?(55?x)CuO?15TiO2?30P2O5 (M=Ca、Zn,x=0、15、20、25和30)的块体基础玻璃。结果表明:随着玻璃组成中CaO、ZnO含量的增加,玻璃的形成能力增强。含CaO和ZnO的微晶玻璃经80 ℃盐酸处理分别得到主晶相为Ca0.5(Ti2P3O12)和Ti2O3(H2PO4)2?2H2O的多孔材料。其中,CaO含量为20 mol%,ZnO含量为15 mol%制得的多孔材料比表面积最大,分别为60 m2/g和119 m2/g。  选取比表面积最大的块体样品进行亚甲基蓝(初始浓度5 mg/L)吸附实验,结果显示:由CaO含量为20 mol%玻璃制得的多孔样品的吸附效率为69.69%,而由ZnO含量为15 mol%玻璃制得的多孔样品的吸附效率可达89.53%。这两个样品重复利用5次后,吸附水溶液中亚甲基蓝的效率下降,分别为38.15%和64.10%。
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