硅材料的氮化处理及其吸附与催化性能研究

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近几十年来,由于介孔二氧化硅材料具有高的比表面积和规整有序的孔结构,使其得到了迅速的发展。这些硅材料在催化、吸附等不同领域都起到了很重要的作用。虽然这些硅材料性质稳定,但是由于其表面往往具有较为活泼的硅羟基,因此,为了推广对这些材料的进一步应用,许多研究逐步转化为对其表面进行功能化处理。比如:研究者利用一些金属直接反应来取代硅原子,或者也有些研究者使用后接枝法,将一些有机官能团引入这些硅材料的表面等。但是由于引入原子数量的限制以及苛刻的改性条件所致,这些功能化方向均有一定的局限性。基于这些劣势,人们更倾向于直接取代硅材料骨架中的氧原子来实现对其硅材料的表面功能化。目前,最为人们所关注的则是采用高温氮化的方法将N原子取代硅材料中的O原子,使其原材料碱性化后加以应用。在本论文中,通过对自制的球状氧化硅材料和介孔分子筛SBA-15进行高温氮化处理,获得不同含氮量的氮氧化硅材料,并将氮化后的介孔分子筛SBA-15用于负载银催化剂。同时,采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、元素分析(CNH)、X-射线光电子能谱(XPS)和29Si MAS NMR等表征手段对其合成的载体以及催化剂进行表征,并将球状氮氧化硅材料进行二氧化碳吸收性能的测试研究,将氮化前后载体负载的银催化剂进行了CO选择性氧化反应的催化活性测试,研究氮化改性后的硅材料对其应用的影响。主要结果如下:1.采用高温氮化的方法对其自制氧化硅材料进行氮化改性处理,获得了高含氮量的氮氧化硅材料,氮化后的硅材料中氮含量(质量分数)最高可达9.48%,并将含氮量最高的氮氧化硅材料SiO2-N-1000进行二氧化碳吸收性能的测试,由于氮氧化硅材料中引入N原子使其具有了碱性基团,而碱性基团则与酸性气体CO2之间存在强作用力,使得氮氧化硅材料对二氧化碳的吸收量明显高于未氮化前驱体材料对二氧化碳的吸收量,吸收量从3.08×10-4g/g提高到6.71×10-4g/g。2.采用同样的高温氮化的方法对介孔分子筛SBA-15进行改性处理,获得一系列不同氮化温度下的载体材料,并进一步应用这些载体合成出银催化剂,进行CO选择性氧化反应的催化活性测试。从实验结果中得出,高温氮化处理分子筛的方法,虽然使得氮化产物的规整性有所降低,但仍然保持了前驱体分子筛SBA-15典型的介孔结构。并随着氮化温度的升高,氮化分子筛中的含氮量也逐渐升高。而由于氮物种和银粒子之间的相互作用,使得银粒子均匀的分散到了载体材料上,因此氮化温度的逐渐升高也直接引起了银在载体上的分散性,从而使得含氮量越高的催化剂表现出越好的催化活性与选择性。氮化温度为1000℃时,催化剂Ag/SBA-15-N-1000的CO转化率可达70%-75%。
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