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沸石分子篩及相關科學的研究工作
2021-07-26

化學研究領域中一個重要的分支——沸石分子篩及相關科學的研究工作不斷拓展創新,至今方興未艾。沸石以及類沸石分子篩以其獨特的孔道結構和良好的熱穩定性被廣泛的應用于吸附、異相催化、氣體分離以及離子交換等領域。近年來,分子篩已不再局限于吸附、分離等傳統領域,它在非線性光學材料、沸石電池、沸石化學傳感等領域獲得了有價值的應用。本論文以ZSM-5分子篩單晶體作為主體,通過多種方法制備了幾種金屬氧化物(客體)-ZSM-5單晶(主體)的材料,并對材料的晶相、形貌、氧化物含量、以及孔結構進行了多角度的分析和推論,基于該材料的特性,研究了所制備的主客體材料的光致發光性質,并對其中兩種材料吸附小分子之后的發光學變化機理進行了初步探討。

主要研究結果如下:

1.采用純化學試劑,添加乙二胺四乙酸鈉調節晶體的結晶方式,通過實驗探索,成功制備了ZSM-5分子篩單晶體。

采用氮氣吸附方法系統分析了該晶體的孔結構。結合ZSM-5的晶體學結構分析了分子篩中的孔道及吸附等溫線等孔參數,通過掃描電鏡、光學顯微鏡、紅外光譜等手段對所得產物進行表征。縱觀該晶體的特性,認為該晶體是一種良好的主體材料,為后面工作中客體材料的載入奠定了基礎。

2.利用所合成的分子篩單晶體,采用熱擴散方法將氧化鋅、二氧化錫以及氧化鎘負載到分子篩的孔道中,得到了ZnO/ZSM-5、SnO2/ZSM-5、CdO/ZSM-5三種主客體材料,并分別對三種材料進行了形貌、晶相、孔結構和熒光性質的測試和表征。

沸石分子篩及相關科學的研究工作

綜合看制備的三種主客體材料,具有一些共性:

(a)晶體內的客體含量與熱擴散溫度是有密切關系的,溫度越高,其含量越高,這是由于在高的溫度下,用于負載的金屬的蒸氣壓是增大的,其在反應體系中的分壓增大,導致進入晶體的金屬物種增多;

(b)熱擴散溫度過高對于晶體本身的完整性是有影響的,溫度高,晶體易產生缺陷甚至造成晶體斷裂,因此對于熱擴散溫度的選擇是很重要的;

(c)采用該方法得到的客體含量較低,這也是該方法的一個特點,由于客體含量低,因此對于孔道的堵塞較小,大部分樣品中的客體能夠分散在樣品的孔道中;

(d)由于制備過程是密閉的,整個體系處于缺氧狀態,因此通過該方法制得的材料本身容易出現氧空位缺陷。

3.另外對于每一種樣品還有其自身的特性:(i) ZnO/ZSM-5材料在350 nm和440 nm處存在熒光峰,認為位于350 nm處的發光峰是氧化鋅團簇缺陷導致的發光,而位于440nm處的熒光峰推斷為氧空位缺陷導致的。(ii)對于SnO2/ZSM-5材料,于750℃下制備的樣品具有良好的可見光透過性,二氧化錫團簇沒有大規模的占據分子篩孔道,但當溫度升高至850℃時,對晶體的透光性而言是不利的,而且孔性質分析表明樣品中的微孔被大量占據甚至堵塞。Sn02/ZSM-5樣品具有良好的熒光性質,其發光中心位于451 nm處,認為該發光是由于氧空位導致的半導體缺陷發光。(ⅲ) CdO/ZSM-5主客體材料本身也具有較好的可見光透過性。當氧化鎘含量較低的時候,氧化鎘以納米團簇的形式分布在分子篩的孔道中,并沒有大面積的堵塞分子篩孔道;而當氧化鎘的含量增大時,分子篩的微孔孔道被堵塞,導致一系列的孔參數(BET比表面積,孔容積等)的相應改變。

沸石分子篩及相關科學的研究工作

4.選擇微波輔助加熱以及常規水浴加熱方式,通過吸附后水解的方法將二氧化鈦團簇負載到ZSM-5分子篩單晶中,得到Ti02/ZSM-5主客體材料。制備的Ti02/ZSM-5晶體表面光潔,二氧化鈦分布在晶體內部而非晶體表面,推斷其中二氧化鈦的晶型為銳鈦礦型。加熱方式的不同導致即使在相同初始鈦源濃度下醉終制得的樣品中二氧化鈦含量是不相同的。該TiO2/ZSM-5材料具有較好的光致發光性能,熒光發射峰位于436 nm處,認為該發光現象是TiO2/ZSM-5材料中四配位的Ti(IV)經熱處理而導致的表面氧橋鍵缺陷所引起的。該材料中二氧化鈦主要以納米級團簇的形式存在于分子篩的外表面,微孔中只有少量分布,沒有顯著的影響到主體的孔道結構。

對所合成的材料進行綜合考量,選取兩種不同方法制備的,而且綜合性能表現優異的材料——TiO2/ZSM-5和ZnO/ZSM-5進行應用探索。由于材料具有良好的可見光透過性質,而且晶體尺寸較大,使該材料適合應用于光學傳感領域。因此將靜態吸附氣體小分子后的樣品的熒光性質進行探索,探討該材料應用于傳感領域的可能性。并對熒光光譜的變化機理進行了分析,得到引起熒光光譜變化的原因,為該材料的后續應用研究提供原始的實驗和理論依據。

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