过渡金属纳米催化剂制备及其催化甲烷裂解积碳活性的研究

【摘要】： 由于过渡金属催化剂(Transition-metal Catalyst―TMC)是催化裂解烃类化合物制备碳纳米管等新型纳米碳材料的高效催化剂,所以近年来对具有高积碳活性的TMC的研制与开发备受关注。但以往的TMC的制备方法大多采用较传统的单一合成技术,对于开发积碳活性较高的新型TMC有着很大的局限性。 本文采用相转移法和沉淀法耦合技术制备TMC;考察了有机相添加量以及添加载体对其收率的影响;利用催化甲烷裂解积碳反应,考察了自制TMC的积碳活性;借助XRD、TEM和HRTEM表征技术,考察了有机相添加量、催化剂焙烧温度以及添加载体对催化剂形貌以及催化甲烷裂解积碳产物形貌的影响。 实验结果表明,添加适量的有机相或加入载体都有利于提高TMC的收率,但添加有机相或载体都没有影响到催化剂失重百分比随焙烧温度变化的趋势,催化剂失重百分比总体上都是随焙烧温度的升高而增加(有机相添加量为50ml时例外);添加有机相的TMC母体经过300℃焙烧后即出现氧化物物相,而添加载体后,则经过400℃焙烧才出现氧化物物相;TEM表征结果表明,有机相添加量对未经焙烧的TMC母体的形貌影响显著,而对经不同温度焙烧后的TMC母体的形貌影响不大。TMC母体的结晶度和颗粒尺寸均随着焙烧温度的升高而增加。在添加适量载体的条件下,首次制备了纳米针状TMC母体(直径约8-34nm,长度约70-286nm);随焙烧温度的升高,其长度变短、直径变粗。 在不同的有机相添加量条件下,TMC催化甲烷裂解反应的积碳增重百分比随焙烧温度的升高呈上升趋势;添加载体后,TMC催化甲烷裂解反应的积碳增重百分比却随焙烧温度的升高而降低,但总体还是提高了。添加有机相虽然有利于生成分散性较好的纳米催化剂颗粒,但却不利于提高TMC的积碳活性。在未添加有机相条件下,制备的TMC催化甲烷裂解积碳反应的产物中所含的片状物为石墨碳物种。在添加载体条件下,通过自制的负载型TMC催化甲烷裂解积碳反应,首次制得了针状的、且为理论预期存在的碳产物,测量其层间距约为0.21nm。 【关键词】：纳米催化剂 制备 有机相 载体 催化甲烷裂解 积碳 表征
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：O643.3
【目录】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-10
• 第一章 文献综述10-30
• 1.1 纳米催化剂性质10-11
• 1.1.1 表面效应10
• 1.1.2 体积效应10-11
• 1.1.3 量子尺寸效应11
• 1.2 纳米催化剂催化机理简述11
• 1.3 常见纳米催化剂11-14
• 1.3.1 贵金属纳米催化剂11-12
• 1.3.2 过渡金属纳米催化剂12
• 1.3.3 多组分合金型纳米催化剂12
• 1.3.4 金属簇纳米催化剂12-13
• 1.3.5 过渡金属氧化物纳米催化剂13
• 1.3.6 纳米分子筛催化剂13
• 1.3.7 生物纳米催化剂13-14
• 1.4 纳米催化剂合成方法14-19
• 1.4.1 溶胶-凝胶法14-15
• 1.4.2 浸渍法15
• 1.4.3 沉淀法15
• 1.4.4 微乳液法15-16
• 1.4.5 离子交换法16
• 1.4.6 水解法16
• 1.4.7 还原法16-17
• 1.4.8 等离子体法17
• 1.4.9 微波合成法17-18
• 1.4.10 相转移法18
• 1.4.11 纳米材料制备耦合技术18
• 1.4.12 Monte Carlo 方法18-19
• 1.4.13 其它制备方法19
• 1.5 纳米催化剂表征技术19-24
• 1.5.1 催化剂形态表征20-21
• 1.5.2 催化剂表面结构表征21-22
• 1.5.3 催化剂内部结构表征22-23
• 1.5.4 催化剂性能测试23-24
• 1.6 纳米催化剂的应用24-26
• 1.6.1 在催化氧化还原反应中的应用24-25
• 1.6.2 在环境保护领域的应用25
• 1.6.3 在电池工业中的应用25-26
• 1.7 催化裂解反应简介26-28
• 1.7.1 催化裂解法26
• 1.7.2 催化裂解反应的主要产物26-27
• 1.7.3 催化裂解反应机理27
• 1.7.4 最新国内外研究动态27-28
• 1.7.5 催化甲烷裂解反应28
• 1.8 本课题主要研究内容及意义28-30
• 第二章 实验30-35
• 2.1 实验试剂30
• 2.2 实验仪器30-31
• 2.3 实验方法31-32
• 2.3.1 过渡金属纳米催化剂 A 的制备31
• 2.3.2 负载型过渡金属纳米催化剂 B 的制备31-32
• 2.3.3 过渡金属纳米催化剂催化甲烷裂解积碳反应32
• 2.4 反应产物表征32-35
• 2.4.1 X-射线粉末衍射(XRD)32-33
• 2.4.2 透射电子显微镜(TEM)33
• 2.4.3 场发射透射电子显微镜33
• 2.4.4 X 射线能谱(EDX)33-34
• 2.4.5 热分析技术34-35
• 第三章 非负载型纳米催化剂的制备实验结果与讨论35-49
• 3.1 有机相添加量的影响35
• 3.2 焙烧温度的影响35-36
• 3.3 XRD 表征结果与讨论36-39
• 3.4 TEM 表征结果与讨论39-46
• 3.5 非负载型纳米催化剂制备的重复实验结果与讨论46-47
• 3.5.1 焙烧温度的影响46
• 3.5.2 TEM 表征结果46-47
• 3.6 本章小结47-49
• 第四章 负载型纳米催化剂的制备实验结果与讨论49-56
• 4.1 载体的影响49
• 4.2 焙烧温度的影响49
• 4.3 XRD 表征结果与讨论49-51
• 4.4 TEM 表征结果与讨论51
• 4.5 HRTEM 表征结果与讨论51
• 4.6 负载型纳米催化剂制备的重复实验结果与讨论51-55
• 4.6.1 焙烧温度的影响53-54
• 4.6.2 TEM 表征结果54-55
• 4.7 本章小结55-56
• 第五章 催化甲烷裂解积碳反应结果与讨论56-84
• 5.1 非负载型纳米催化剂催化甲烷裂解积碳反应结果与讨论56-67
• 5.1.1 有机相添加量的影响56-57
• 5.1.2 催化剂焙烧温度的影响57-58
• 5.1.3 TEM 表征结果与讨论58-64
• 5.1.4 HRTEM 表征结果与讨论64-65
• 5.1.5 EDX 表征结果与讨论65-66
• 5.1.6 XRD 表征结果与讨论66
• 5.1.7 热分析结果与讨论66-67
• 5.2 负载型纳米催化剂催化甲烷裂解反应结果与讨论67-72
• 5.2.1 载体的影响67-68
• 5.2.2 TEM 表征结果与讨论68
• 5.2.3 HRTEM 表征结果与讨论68-70
• 5.2.4 XRD 表征结果与讨论70-71
• 5.2.5 热分析结果与讨论71-72
• 5.3 H_2还原过渡金属催化剂实验的结果与讨论72-79
• 5.3.1 H_2还原非负载型过渡金属催化剂实验的结果与讨论72-76
• 5.3.2 H_2还原负载型过渡金属催化剂实验的结果与讨论76-79
• 5.4 催化剂催化甲烷裂解积碳反应的重复实验结果与讨论79-82
• 5.4.1 非负载型催化剂催化甲烷裂解积碳反应的重复实验结果讨论79-80
• 5.4.2 负载型催化剂催化甲烷裂解积碳反应的重复实验结果与讨论80-82
• 5.5 本章小结82-84
• 第六章 结论84-86
• 参考文献86-94
• 攻读硕士学位期间发表的论文94-95
• 附录95-97
• 致谢97

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