溶胶—凝胶伴随相分离法制备多孔氧化锆块体材料

【摘要】多孔氧化锆兼具氧化锆的高热稳定性、高化学稳定性以及多孔材料密度小孔隙率高、比表面积大、吸附性能优异等特性,在催化、分离、提取、吸附、降解、固化等领域具有良好的应用前景。多孔氧化锆的制备方法较多,其中溶胶-凝胶伴随相分离法是制备多孔氧化锆块体的一种新途径,但目前该方法主要以金属醇盐为前驱体,成本较高,且水解-聚合反应速率较快,难以控制。因此,本研究致力于以廉价的无机锆盐为前驱体制备多孔氧化锆块体。本文以氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O)为锆源,聚氧化乙烯(PEO,Mv=106)为相分离诱导剂,环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂,采用溶胶-凝胶伴随相分离法制备了具有尺寸可控的连续通孔结构的多孔氧化锆块体材料,并对其制备工艺、物化性能和孔结构、水热处理三个方面展开了深入的研究分析。主要研究成果如下：(1)多孔氧化锆块体的制备工艺优化,分析了PEO添加量、PO添加量、反应温度、溶剂添加量等工艺参数对氧化锆凝胶相分离及多孔结构形成的影响特征,并探讨了相分离机理。研究结果表明：PEO通过吸附在氧化锆水解产物表面,在体系发生聚合反应时引起焓变而引发相分离,通过调节PEO的添加量可精确控制多孔氧化锆块体的孔径尺寸；同时,PO的添加量、反应温度、溶剂的添加量及比例等工艺参数都能对块体的微观结构起到一定的调控作用；在溶剂置换时使用正硅酸乙酯(TEOS)的乙醇溶液可有效地起到支撑骨架、防止干燥过程中孔隙坍塌的作用。当PO添加量为0.52mL,水和乙醇的添加量均为2.4mL,PEO添加量为0.750-0.120g之间,反应温度为80℃时能够获得理想的共连续多孔结构。(2)多孔氧化锆块体的热处理及孔结构研究,分析了热处理后多孔氧化锆块体的物相转变和孔结构特征。研究结果表明：由于TEOS在凝胶表面的接枝作用,氧化锆块体在热处理过程中的结晶转变和晶粒长大都受到抑制,600℃以下时均为无定形态,在700～1000℃之间也只有四方相的氧化锆纳米晶稳定存在；热处理不会破坏块体的微观结构,其骨架和孔径尺寸仅略微减小；所制备的多孔氧化锆块体具有52.9%的孔隙率,较窄的孔径分布,以及高达172m2/g的比表面积,但随着热处理温度的升高,其比表面积迅速降低。(3)多孔氧化锆块体的水热处理研究,考察了水热溶剂体系、矿化剂浓度、水热温度和时间对多孔氧化锆块体结晶特性和孔结构特征的影响。研究结果表明,在氨水的乙醇溶液中进行溶剂热处理时,形成了四方相的氧化锆晶粒,同时块体骨架变得光滑均匀,内部构造出了发达的介孔结构,其比表面积高达584m2/g；增大氨水的浓度、延长溶剂热处理时间、提高溶剂热温度都能使对骨架的修饰效果和结晶性有所提升。
【作者】吕林一秀；
【导师】郭兴忠；李志强；
【作者基本信息】浙江大学，材料工程，2014，硕士
【关键词】多孔材料；氧化锆块体；溶胶-凝胶；相分离；热处理；水热处理；

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