基于介孔TiO_(2)纳米材料光催化性能的综合实验

将科研热点“光催化”引入到实验教学中,建立材料的制备、结构表征及光催化性能测试融为一体的综合实验。以钛酸四丁酯作为钛源,利用喷雾水解法制备介孔TiO_(2)光催化材料,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N2吸附-脱附测试、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和表面光电压谱(SPV)等表征材料的结构、形貌、光吸收性能和光电性质。以NO为目标污染物,探究介孔TiO_(2)光催化氧化NO的性能,进一步探究煅烧处理对介孔TiO_(2)光催化活性的影响。本综合实验涵盖了材料、催化和环境化学等多个学科领域,将光催化与现代测试技术相结合应用于实验教学中,既有利于创新综合实验的内容,又有利于提高学生的综合实践能力和培养学生的科研创新能力。

BiOCl纳米片微球光催化氧化NO的综合实验设计

综合实验作为一种实验教学类型已成为化学实验教学的重要组成部分,设计了BiOCl纳米片微球光催化氧化NO的综合实验。该综合实验以乙二醇/水混合溶剂为溶剂,采用溶剂热法合成BiOCl纳米片微球,通过扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等对其进行结构表征,并考察溶剂对光催化材料结构与光催化氧化NO性能的影响。该综合实验流程完整,实验内容涵盖材料的合成、表征与性能评价等方面,综合性强,有助于训练学生的综合实验技能和培养学生的科研创新意识。

Co/Zr/Al_(2)O_(3)-Pt/ZSM-5催化剂的制备及其合成气转化制液体燃料性能研究

以Co基催化剂耦合沸石分子筛催化剂应用于合成气催化转化可以有效改善催化剂的产物选择性。本研究通过浸渍法制备得到Zr/Al_(2)O_(3)载体和Pt/ZSM-5催化剂,再通过超声分散法制备了Co/Al_(2)O_(3)、Co/Zr/Al_(2)O_(3)和Co/Zr/Al_(2)O_(3)-Pt/ZSM-5催化剂。通过系列表征技术对载体和催化剂理化性质进行分析,评价了催化剂费-托合成反应性能。结果表明,Zr的引入有助于提升Co/Zr/Al_(2)O_(3)上Co物种的还原性,改善催化活性,增加C_(12+)重质烃的选择性。当Co/Zr/Al_(2)O_(3)与Pt/ZSM-5耦合后,由于贵金属Pt的助剂效应,进一步促进Co物种的还原,Co/Zr/Al_(2)O_(3)-Pt/ZSM-5催化剂的CTY值提高至8.3×10^(−5) mmol/(g·s),同时具有较低的CH_(4)、C_(2)−C_(4)产物选择性。此外,Pt/ZSM-5的酸性促进C_(12+)产物的部分裂解,使产物分布向C_(5)−C_(11)液态烃偏移,C_(5)−C_(11)产物选择性达到45.9%。本研究为设计和制备高效的费-托合成催化剂提供了参考。

采用逆合成分析与纯有机催化室温合成4-溴查尔酮的实验设计

以4-溴查尔酮为目标分子,通过逆合成分析法,从6条路线中分析出含有5项诺贝尔奖成果的合成途径,通过对比,最后选择出2021年诺奖成果“纯有机催化”室温合成4-溴查尔酮。以新试剂L-脯氨酸为催化剂,室温下通过对溴苯甲醛和苯乙酮的羟醛缩合反应合成4-溴查尔酮,并进行一系列正交实验,优化反应条件。该反应具有原料价格低廉、反应条件温和等优点。通过简单的反应,将多项诺奖成果与纯有机催化引入实验教学中,避免“照方抓药”式教学,紧贴科学前沿,深化有机合成学习,有利于培养学生创新意识。

络合剂对固相法Cu/ZnO/In_(2)O_(3)催化剂的CO_(2)加氢制甲醇反应性能的影响

为了促进催化剂中Cu物种的分散,在金属硝酸盐中分别加入草酸、甲酸和柠檬酸,采用固态研磨合成Cu/ZnO/In_(2)O_(3)催化剂.结果表明:草酸的加入对Cu的分散效果最好,在280℃,2 MPa,3.6 L·gcat^(-1)·h^(-1),V(H2)∶V(CO_(2))=3∶1时,甲醇收率最高,达到2.1 mmol·gcat^(-1)·h^(-1).但甲酸在高温下会分解为CO_(2)和H_(2),导致制备的CuO/ZnO/In_(2)O_(3)催化剂部分还原,随后此催化剂在H_(2)预处理后被过度还原,形成Cu_(3)In_(7)合金相,导致甲醇产率降低.

双功能催化剂中分子筛组分的结构对合成气转化过程中甲烷选择性的影响

利用氧化物-分子筛双功能催化剂能够高效催化CO加氢转化为各类高附加值化学品,氧化物组分与分子筛组分之间的空间距离对产物选择性至关重要,当空间距离较近时会促进甲烷的生成.以CoMn催化剂为氧化物组分,与不同分子筛分别进行物理混合,设计了一系列模型双功能催化剂,考察了双功能催化剂中分子筛组分的结构对合成气转化过程中甲烷选择性的影响.结果表明,与CoMn催化剂相比,双功能催化剂中分子筛组分的Al物种是提高甲烷选择性的根本原因,Al物种能够促进H_(2)的解离,当与CoMn催化剂接触时会促进CH_(x)物种的加氢,提高甲烷选择性.

Ni/MCF催化剂的改性及其催化甲烷二氧化碳重整反应性能研究

本工作针对甲烷二氧化碳重整反应中Ni基催化剂的烧结和积炭问题,利用2-甲基咪唑与Ni^(2+)形成金属-有机框架结构(MOFs),以MOFs为前驱体,在氮化改性的介孔泡沫硅(MCF)载体上构建了金属-载体相互作用较强的Ni基催化剂。XRD、TEM、BET、H_(2)-TPR、XPS、TG等表征结果表明,通过高温程序氮化法对MCF载体进行N掺杂改性能够提高活性金属的分散度、降低粒径、增强金属-载体相互作用力、降低催化剂还原度、增强金属-载体电子相互作用力、增加催化剂表面高价态Niδ^(+)的含量。通过2-甲基咪唑与Ni^(2+)络合的方式改性催化剂前驱体为三维的金属-有机框架结构,经高温空气煅烧后,在催化剂表面形成了嵌入的块状结构的硅酸镍物种,硅酸镍物种中的活性金属主要以高价态Niδ^(+)的形式存在,高分散于催化剂表面表现出了强的金属-载体相互作用力。N掺杂改性MCF载体与2-甲基咪唑改性催化剂前驱体两种改性叠加对催化剂性能的提高更为显著。700℃时,Ni/N-MCF-MI催化剂表现出优异的DRM催化性能,其CH_(4)和CO_(2)的转化率分别为78%和83%,且反应10 h性能稳定,具有良好的抗积炭和抗烧结能力。

负载型CoMnNa催化剂对合成气制低碳烯烃CO_(2)选择性的抑制研究

FTO(Fischer-Tropsch to olefins)作为合成气制备低碳烯烃(C_(2)^(=)~C_(4)^(=))的代替路径在工业上具有重要意义。CoMnNa作为FTO反应催化剂而备受关注,但由于反应过程中CO_(2)C活性相的形成,导致CO_(2)选择性较高。引入AlO(OH)载体,制备了Co_(1)Mn_(1)Na/AlO(OH)催化剂,通过XRD、STEM、EDX-mapping、N_(2)吸附-脱附等温线、孔径分布曲线对催化剂进行了表征,通过H_(2)-TPR对催化剂的还原性进行了分析,并对催化剂的FTO反应性能进行了评价。结果表明,利用载体与CoMn的相互作用,降低了CoMn氧化物的还原性,有效抑制了CoMn中Co的析出及CO_(2)C的形成,减少了CoMn体系中Co和CO_(2)C活性相;在低碳烯烃选择性高达32.4%的情况下,成功将CO_(2)选择性降至10%以下。

运用夹点技术在原油常减压装置换热网络中的优化改造

运用换热网络夹点技术,针对某炼油厂常减压装置进行节能潜力分析和优化改造.结果表明:在利用相邻一套蒸馏装置的低温热的情况下,可以提高蒸馏二套换热终温7℃,即从278℃提升至285℃,同时增加自产蒸汽1.7 t·h^(-1).经过对换热器进行核算,和现有换热网络相比,节省加热炉1381 kW,增加自产蒸汽1184 kW,使用低温热循环水加热节能2502 kW,总节能效益296万元·a^(-1).

水溶性丙烯酸酯接枝氯化聚丙烯乳液的性能及应用

聚丙烯(PP)基材作为非极性材料,表面难以直接涂装,常用油性氯化聚丙烯(CPP)作为底涂以增加PP与涂料之间的附着力,但含大量挥发性有机物(VOCs),环境污染严重.合成的水溶性丙烯酸酯接枝氯化聚丙烯乳液(WA-CPP),具有VOC含量低(2%~4%)、粘度低(700~1300 cP,25℃)、乳液稳定性高和热性能优异等特点.WA-CPP制备的涂层在PP基材上附着力可达0级,耐冲击性能大于100 cm,抗弯折性能为0 T_(f);WA-CPP乳液可有效改善PP基材与涂料的相互作用和附着力以及耐水性.使用扫描电镜等技术分析了附着力增强机制,WA-CPP可望在PP表面改性及涂装等领域得到广泛应用.

超支化多级Rh纳米枝晶的合成及其高效催化硝基苯加氢的研究

为提高金属Rh纳米颗粒的催化性能,采用微波辅助加热法,以乙酰丙酮铱[Rh(acac)3]为前驱体、三缩四乙二醇(TEG)为溶剂和还原剂、KI和正丁胺(BA)为复合形貌控制剂、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为稳定剂,控制合成Rh纳米颗粒的形貌,并考察其催化硝基苯加氢的性能。结果表明,微波辐照80 s可成功制得形貌单一的超支化多级Rh纳米晶;反应体系中,最适宜n[Rh(acac)3]∶n(PVP)∶n(KI)∶n(BA)为1∶10∶10∶0.075;所制备的超支化多级Rh纳米晶催化硝基苯加氢,在50℃、0.5 MPa的H2压力下反应4 h,硝基苯转化率为100%,苯胺选择性为99.9%,重复使用5次催化效率不变。可见,采用微波法可快速合成超支化多级Rh纳米晶,且所合成的超支化多级Rh纳米晶表现出高的催化活性、选择性和良好的重复使用性。

SSZ-13分子筛上甲醇转化过程中甲氧基物种的生成与活性研究

本文使用固体核磁共振(NMR)技术研究了SSZ-13分子筛上甲醇制烯烃反应过程中表面甲氧基物种的生成以及反应活性.通过二维^(13)C-^(27)Al HMQC NMR方法确证了甲醇在分子筛骨架Brønsted酸位上生成的甲氧基物种,以及在Lewis酸位上生成的另外一种表面甲氧基物种.^(13)C NMR结合气相色谱-质谱(GC-MS)实验结果表明,这两种甲氧基物种在甲醇制烯烃反应中均具有较高的反应活性,既可以导致烃池物种的生成,也可以参与烃池反应生成碳氢化合物.

硅球负载高分散钴基催化剂的制备及其费-托合成催化性能研究

利用等体积浸渍法将钴前驱体浸渍在结构规整的硅球(SP)载体上,在不同强度的等离子体场中分解钴盐,制备出一系列高分散Co/SP催化剂。采用X射线粉末衍射、氮气物理吸附-脱附、扫描透射电子显微镜和傅里叶红外变换光谱等表征手段对催化剂结构进行表征,并在固定反应器上进行费-托合成催化性能测试,探讨等离子体处理强度对费-托合成催化剂的分散度、还原度、相互作用的影响规律。结果表明,等离子体处理催化剂在费-托合成反应中表现出比焙烧样品更优越的催化性能,其中,Co/SP-P650W由于具有较适宜的分散度和相对较高的还原性,呈现出最高的费-托合成反应活性。

多级孔Co/Al-SiO2催化剂制备及其费–托合成催化性能

多级孔硅铝材料因优异的性能而成为金属催化剂的重要载体。研究采用水热法以硝酸铝为铝源、正硅酸乙酯(TEOS)为硅源合成了Al掺杂SiO2(Al-SiO2)的多级孔材料,然后采用等体积浸渍法负载钴,制备了具有多级孔结构的Co/Al-SiO2催化剂。对Al-SiO2材料的表征结果表明:以四丙基氢氧化铵(TPAOH)为结构导向剂,经80℃水热处理可以合成多级孔Al-SiO2,呈尺寸在30~40 nm范围的“蠕虫状”大孔分布形态。将催化剂用于费–托合成反应,与商业SiO2负载的钴催化剂相比,Co/Al-SiO2的CO转化率提高近一倍,CH4选择性降低19.3wt%,C2-C4选择性降低13.3wt%,汽油段产物(C5-C12)选择性达到53.3wt%。

高比表面积双孔SiO2负载钴基催化剂费托合成反应性能研究

载体的结构可以显著影响钴基费托合成催化剂的活性和产物选择性。大孔结构载体可以改善反应物和产物的传质情况,提升CO转化活性和C5+产物选择性;高比表面积载体有利于使负载的金属分散,提高催化剂的金属利用效率和稳定性。然而,要获得同时具备高比表面积和大孔结构特征的载体相对困难。本研究采用结构导向水解法,合成了一种比表面积达1103.2 m^(2)/g的介孔(2.9 nm)-大孔(63.8 nm)双孔二氧化硅(BP-SiO_(2))载体,研究了其负载钴催化剂的费托合成反应性能。结果表明,相对规整介孔SBA-15分子筛负载的钴催化剂Co/SBA-15,210℃反应时,催化剂Co/BP-SiO_(2)的CO转化率提高33.3%,CH4选择性降低30.1%,C_(5+)选择性增加到80.0%,稳定性显著增强。

一维ZnO表面可控构建Co_(3)Mn_(1)纳米晶及其催化CO氧化性能

利用热分解法制备了结构明确的负载型纳米晶催化剂。在纳米晶成核和生长过程中加入一维ZnO纳米棒作为晶种,调控不同组分的纳米晶在ZnO纳米棒表面均匀生长,从而获得了结构明确的MnO/ZnO、Co_(3)O_(4)/ZnO、Co_(3)Mn_(1)/ZnO催化剂。透射电子显微镜(TEM)与X射线粉末衍射(XRD)结果显示,不同组分纳米颗粒都均匀分散在ZnO纳米棒表面。相对于MnO/ZnO和Co_(3)O_(4)/ZnO催化剂,Co_(3)Mn_(1)/ZnO催化剂在CO氧化反应中具有最佳的催化性能。在200 L·g_(cat)^(-1)·h^(-1)的气时空速下,Co_(3)Mn_(1)/ZnO催化剂起活温度为50℃,其T100(CO转化率达到100%时的温度)为200℃;利用X射线光电子能谱(XPS)对不同催化剂进行了分析,结果显示,Co_(3)Mn_(1)/ZnO催化剂的氧空位比MnO/ZnO催化剂提高了30%以上,从而使其具有较高的CO氧化催化性能。更为重要的是,Co_(3)Mn_(1)/ZnO复合纳米晶催化剂的活化能(39.4 k J·mol^(-1))远低于其它负载型纳米晶催化剂。

磷石膏基复合吸附材料的制备及其对废水中As(Ⅲ)的吸附性能研究

研究了用机械球磨法混合磷石膏(PG)和还原铁粉制备吸附材料(m-PG-Fe),通过响应面法对制备工艺条件进行优化,考察了优化条件下所制备m-PG-Fe对模拟废水中As(Ⅲ)的吸附性能。结果表明:最优制备条件为PG配比60%,球磨转速500 r/min,球磨时间为2 h;在该条件下制备的m-PG-Fe对废水中As(Ⅲ)的吸附量为29.86 mg/g,与预测值的误差为3.7%,可靠性较高,具有潜在使用价值;m-PG-Fe具有更大的比表面积、孔隙体积和介孔率,在机械力作用下PG中的结晶水逸出产生羟基自由基,并与铁粉在球磨作用下结合生成FeO(OH),有利于对As(Ⅲ)的吸附。

球磨活化制备高强度铜尾渣基水泥活性材料

以铜尾渣(CSS)为主要原料,采用球磨活化方法制备了水泥活性混合材料,探究了CaO掺量、球磨时间、球磨转速对砂浆试块抗压强度和活性指数的影响.结果表明:(1)在CaO掺量为15%,球磨时间为90 min,球磨机转速为400 r·min^(-1)条件下砂浆试块抗压强度可达38.9 MPa,活性指数为89%(>75%),均满足标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596―2017)的要求;(2)球磨和CaO掺入对铜尾渣的活化具有协同作用机制,球磨可通过减少粒径及增加表面活性基团的方式显著活化铁橄榄石(Fe_(2)SiO_(4))中硅酸盐基团,CaO还可在活化颗粒表面形成大量的C―S―H活性基团而提升其抗压强度;(3)所制得的材料符合标准,材料的有害物质浸出毒性浓度均低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》(GB 5085.3―2007)中的限值.因此,该法不仅降低了铜尾渣堆积造成的环境风险,还具有对铜尾渣大规模处理和资源化利用的潜力.

硅球负载高分散钴基催化剂的制备及其费-托合成催化性能研究

采用等体积浸渍法将钴盐前驱体浸渍在结构规整的硅球(SP)载体上,利用辉光放电等离子体技术分解钴盐前驱体,制备了一系列高分散Co/SP催化剂,采用透射电子显微镜、氮气物理吸附-脱附、傅立叶变换红外光谱、X-射线光电子能谱、氢气程序升温还原、X-射线粉末衍射等手段对催化剂结构进行了表征,并在固定床反应器上进行费-托合成催化性能测试,探讨等离子体处理真空度对费-托合成催化性能的影响。结果表明,等离子体处理真空度主要影响Co/SP催化剂上钴物种的分散度,对其还原性能影响不大;Co/SP催化剂的费-托合成催化性能与其钴物种分散度直接相关,分散度越高,催化活性越高。

不同碳化铁物相的Fe@C催化剂对CO_(2)加氢的影响

Fe基催化剂因其优秀的逆水煤气变换活性常用于CO_(2)加氢制备烃类和含氧化合物。以Fe@C催化剂为前体,通过调控催化剂预处理条件,获得了不同物相的碳化铁,考察了碳化铁物相对CO_(2)加氢性能的影响。结果表明:高温焙烧得到的Fe@C催化剂主要物相是θ-Fe_(3)C;氢气还原后的Fe@C-R催化剂的主要物相是ε-Fe_(2)C;先经氢气还原处理,再利用合成气原位碳化的Fe@C-R-C催化剂的主要物相是χ-Fe_(5)C_(2);θ-Fe_(3)C物相具有较高的CO_(2)转化率(35.2%)和较低的甲烷选择性(28.0%),甲醇产率72.8μmol·g^(-1)·h^(-1),且在反应过程中非常稳定;ε-Fe_(2)C物相具有较高的甲醇产率(160.8μmol·g^(-1)·h^(-1)),但是甲烷选择性(41.7%)过高;χ-Fe_(5)C_(2)物相活性相对较低,甲烷选择性(40.0%)较高,甲醇产率(48.4μmol·g^(-1)·h^(-1))较低。