尖晶石型催化剂的结构、制备和应用.doc

***********学院 尖晶石型催化剂的结构、制备与应用 学 号： 专 业： 学生姓名： 任课教师： 2013年12月 尖晶石型催化剂的结构、制备与应用 ******* ******学院 摘 要：尖晶石类催化剂近些年来发展迅速，作为环境保护末端治理方面的新秀，有很多值得大家去深入探究的地方。尖晶石型催化剂在高级氧化中有着较为广泛的应用，尖晶石型催化剂在臭氧体系或者过硫酸盐体系中与臭氧或者过硫酸盐发生协同作用，提高体系的氧化性，对绝大部分有机物进行去除降解，得到良好的效果。尖晶石结构类似于钙钛矿，但仍有较大区别，本文对尖晶石结构进行了介绍，并给出了几种比较常用的尖晶石制法。 关键词：尖晶石；高级氧化；催化；结构；制备 1、尖晶石的结构 人们对多元复合氧化物材料的结构和组成的设计和制备的研究，不断发现了复合金属氧化物材料具有磁性、气敏性、电导性和催化活性等特性，并将他们广泛应用在能源、信息、冶金、电子、化工、生物和医学等领域复合金属氧化物的种类繁多，主要有尖晶石型、钙钛矿型、白钨矿和铜铁矿等类型，由于组成和结构的变化引起材料的多功能性，使得尖晶石型和钙钛矿型复合金属氧化物成为最常见和应用最广的光催化材料，在本文中主要讨论尖晶石结构复合金属氧化物[1]。 尖晶石的化学分子式可以用XY2O4表示，以天然矿石MgAl2O4尖晶石为例，其晶体结构属于立方晶系，每个单胞中包含56个离子，其中包括2价金属离子8个，3价金属离子16个，32个氧离子，其中的Mg2+和A13+离子可以被其它的二价Ni2+、Co2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+等)或者三价(Fe3+、Co3+、Ga3+等)离子替代，图1.1为尖晶石结构复合金属氧化物的晶体结构示意图，在尖晶石的晶胞中，氧离子间隙之中镶嵌了金属离子，其中四个氧离子包围了间隙较小的四面体座，这四个氧离子的中心联线构成四面体；而六个氧离子包围了间隙较大的八面体座，这六个氧离子的中心联线构成八面体(图1.1)，尖晶石结构的单位晶胞含有8个分子，其中包含32个八面体座和64个四面体座，金属离子分别占据其中的8个四面体座(A位)和16个八面体座(B位)，占据A位置的亚晶胞按四面体排列，占据B位置的亚晶胞按互补的四面体排列[2]。 图11尖晶石复合金属氧化物的晶体结构 根据晶体场理论，生成的尖晶石究竟是正尖晶石型还是反尖晶石型，取决于A、B离子的八面体择位能的大小，如果A离子的八面体择位能小于B离子的八面体择位能，则形成正尖晶石，相反则为反尖晶石结构有研究表明，尖晶石族矿物的元素性质和能量最低原理是形成不同结构类型尖晶石的主要原因[3]。2、尖晶石催化剂的制备 2.1 溶胶凝胶法 溶胶-凝胶法可以分为传统胶体型溶胶-凝胶法、无机聚合物型溶胶-凝胶法和络合物型溶胶-凝胶法，传统胶体型溶胶-凝胶法是指对溶液中金属离子的沉淀过程加以控制，先得到均匀且稳定的溶胶，再使得溶剂经蒸发后得到相应的凝胶；无机聚合物型溶胶-凝胶法是指水中或有机相中的可溶性聚合物在经过了溶胶-凝胶的过程而使金属离子可以均匀稳定地分散到凝胶中，络合物型溶胶-凝胶法是指利用络合剂形成络合物，由溶胶-凝胶过程再形成络合物凝胶的一种方法，在这三种制备纳米颗粒的溶胶-凝胶法中，控制溶胶和凝胶的生成是很重要的，在液相中，反应物要充分混合均匀，生成的溶胶体系一定要稳定，且不能出现沉淀物，溶胶-凝胶过程的影响因素纷繁复杂，如溶液的浓度、pH值、反应温度和时间等都会对溶胶-凝胶生成过程产生一定的影响，溶胶-凝胶法的优点是：制备的纳米颗粒粒径小、纯度高、均匀且稳定，制备时所需的温度较低，缺点是：烧结性差以及干燥收缩性大等。 2.2水热与溶剂热法 水热与溶剂热法是指利用溶液中的物质化学反应制备纳米材料的方法，而且反应是在一定的温度(10-1000)和压强(1-100MPa)条件下进行的[4]，水热与溶剂热法是将氢氧化物溶入水中，析出其氧化物的过程，而这些氢氧化物也许是反应前加入的，也可能是在高温，高压条件下的化学反应中产生的，水热法与溶剂热法的特点：固相反应或者难于进行的反应可以在水热条件下进行；水热法可在低温、等压条件下进行，有利于晶体生长，可调控晶体的粒度而且合成产物结晶度高：有利于低价态与特殊价态化合物的生成而且可做到均匀掺杂，因而可以合成一些特种介稳结构和凝聚态的新产物。 2.3 沉淀法 沉淀法是指将适当量的沉淀剂加到配好的溶液中，合成出了具有超细颗粒的前驱体沉淀物，然后将前驱体沉淀物过滤，洗涤并且干燥而得到纳米颗粒的方法。沉淀法包括直接沉淀法、均相沉淀法、共沉淀法及醇盐水解法，使用沉淀法制备纳米尖晶石时，微粒的粒度往往受到沉淀剂过滤和洗涤的影响，而且溶液的浓度、pH值以及水解速度等也可以影响产物的纯度和颗粒的均匀度。 在液相法中最常用的方法