多孔無機材料答案

1、1. 多孔材料的結(jié)構(gòu)表征方法都有哪些，其主用作用是什么？(10分) 答：多孔材料的結(jié)果表征方法有衍射、波譜、光譜、顯微技術(shù)、吸附與脫附技術(shù)等。從X射線粉末衍射譜圖能夠知到材料的晶胞尺寸、雜質(zhì)、對稱性、無定型存在與否、晶體尺寸、應(yīng)力、堆垛層錯、晶體結(jié)構(gòu)等信息。電子衍射可以適用于微晶、表面、薄膜晶體的研究。單晶XRD技術(shù)是最準確最可靠的測量晶體沸石及分子篩結(jié)構(gòu)的方法。紅外光譜能夠識別結(jié)構(gòu)中的官能團，進行分子篩骨架構(gòu)型的判別、表面羥基結(jié)構(gòu)、表面酸性以及分子篩的客體的結(jié)構(gòu)等方面的研究。Raman技術(shù)可以研究分子篩的基本結(jié)構(gòu)單元和孔道環(huán)數(shù)、研究骨架原子的化學(xué)狀態(tài)。UV-Visible 光譜技術(shù)在研究分子

2、篩中的雜原子的配位狀態(tài)則十分有效。利用核磁共振技術(shù)，根據(jù)化學(xué)位移可以考察原子核所處的化學(xué)環(huán)境，從而對化合物進行結(jié)構(gòu)分析。NMR分子篩材料研究中能夠測定骨架原子的化學(xué)狀態(tài)。順磁共振 (ESR)可以通過順磁信號判斷化學(xué)環(huán)境-例如氧自由基等。掃描電鏡能夠觀察材料的外表面和結(jié)晶形貌，分析相的純度。透射電鏡能夠觀測和解析材料的結(jié)構(gòu)。物理吸附研究中應(yīng)用最多的主要有H-K方法確定微孔的孔分布和B-J-H法確定介孔的孔分布，大孔的孔分布則可以用汞吸附法確定。吸附分析可以測定材料表面積（BET、LANGMUIR等方法）、孔容、結(jié)晶度。2.多孔材料性能參數(shù)的表征方法有哪些，試舉2例說明其具體操作過程和所得到的性能

3、參數(shù)？(15分)答：多孔材料性能參數(shù)有孔隙率、孔徑大小與分別、孔形、比表面積等?？紫堵适侵付嗫撞牧现锌紫端俭w積與多孔材料的總體積之比，一般以百分數(shù)來表示?？讖奖碚鞣绞接凶畲罂讖?、平均孔徑、孔徑分布等。多孔材料的孔尺寸形貌在不同方向上存在著差異，多孔材料的這種各向異性程度可用各向異性率來表征。多孔材料比表面積在應(yīng)用中有著重大意義，用單位質(zhì)量材料的總面積來表示。（1）顯微分析法：本方法首先要求對多孔材料樣品制備出盡量平整的斷面，再通過顯徽鏡觀測出斷面的總面積 Sp 和其中包含的孔隙面積 So，然后利用公式：=Sp/So（求得的即是多孔材料的孔隙率）（2）浸泡介質(zhì)法：采用流體靜力學(xué)原理，其測量方式

4、類似于天平稱量法。它是將試樣浸泡于液體介質(zhì)中使其飽和后再進行液中稱重來確定試樣的總體積，進而測算得出多孔體的孔率(見圖2.1)。具體步驟：先用天平稱量出試樣在空氣中的重量W1，然后浸入介質(zhì)(如除氣的油，水、二甲苯或苯甲醇等)使其飽和，采用加熱鼓入法或減壓滲透法使介質(zhì)充分填滿多孔材料的孔隙。浸泡一定時間充分飽和后取出試樣，輕輕擦去表面的介質(zhì)， 再用天平稱出其在空氣中的總重量W2。然后將飽含介質(zhì)的試樣 放在吊具上浸入工作液體中稱量，此時試樣連同吊具的總重量 為W3，而無試樣時吊具懸吊于工作液體中的重量為W4。由此最 后得出的多孔體孔隙率為：?0?1?W1?L, W2?W3?W4?S?L:工作液的密

5、度?S:對應(yīng)致密固體材質(zhì)的密度3.多孔陶瓷的特性參數(shù)有哪些，都有什么意義？(10分)答：多孔陶瓷的特性參數(shù)有：氣孔率；平均孔徑、最大孔徑和孔道長度；滲透能力。氣孔率表示開口孔道體積占材料總體積的百分率。根據(jù)氣孔率的大小多孔陶瓷可以分為泡沫陶瓷、蜂窩陶瓷、粒狀陶瓷。根據(jù)孔徑大小，陶瓷可分為1000 m到幾十微米的粗孔制品、0.2到20 m的微孔制品和0.2 m到幾納米的超微孔制品。在多孔陶瓷材料兩側(cè)存在一定壓力差的條件下，材料的滲透能力指材料透過流體的能力，一般用透氣度或滲透率來表征。綜合考慮多孔陶瓷使用時的具體要求以確定上述幾項指標，是研制多孔材料的關(guān)鍵。4.多孔炭材料主要有哪幾類，各有什么特

6、點和用途？(10分)答：多孔炭材料主要有活性炭、碳分子篩、活性碳纖維?；钚蕴康耐怀鰞?yōu)點是內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積大，具有優(yōu)良的吸附性能和良好的化學(xué)穩(wěn)定性、物理穩(wěn)定性以及使用失效后容易再生等性能。它能脫色、脫臭、脫硫、脫苯，還能選擇性地脫除液相或氣相中某些化學(xué)雜質(zhì)。它也能吸附某些物質(zhì)作為催化劑，使化學(xué)反應(yīng)速度大大加快，是良好的催化劑裁體。碳分子篩（CMS）是一種具有較為均勻的微孔結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)吸附劑，它具有接近被吸附分子直徑的楔形縫狀微孔，能夠把立體結(jié)構(gòu)大小有差異的分子分離開來。它除耐燃燒性較差外，其他諸如強度、硬度、耐熱性、耐酸性及化學(xué)穩(wěn)定性等性能均比沸石分子篩優(yōu)越。作為碳質(zhì)吸附材料，碳分子篩已

7、經(jīng)用于空氣分離制氮、催化劑載體、脫除天然氣中的雜質(zhì)CO2和H2O，飲料的除臭、香煙的過濾嘴、色譜的固定相等?；钚蕴祭w維單絲直徑細，表面積大，吸附面積大；有效吸附孔分布窄，屬于單分散型；沒有或很少有大孔，且為徑向開孔擴散阻力小，吸附、脫附有行程短，吸脫速度快，；吸附位多，吸附容量大；體密度小，漏損小，處理速度快；雜質(zhì)少，純度高；強度高，粉塵少；形態(tài)好，后加工性好；導(dǎo)電、導(dǎo)熱、蓄熱量小。多用作吸附材料、催化劑材料、電極材料等。5.無機膜有哪些優(yōu)點和缺點，主要的制備方法和用途是什么，主要的性能參數(shù)有哪些，各是什么意義？(15分)答：與有機膜相比，無機膜具有以下優(yōu)點：1、 熱穩(wěn)定性好，耐高溫，一般可以

8、在400下使用，最高可達800以上,不老化、壽命長。2、 化學(xué)穩(wěn)定性好，耐有機溶劑，耐酸堿，抗微生物侵蝕。3、機械強度大，擔(dān)載無機膜可承受幾十個大氣壓的外壓，并可反向沖洗。4、凈化操作簡單、迅速，價格便宜，保存方便。5、孔徑分布窄，分離效率高。目前，從技術(shù)上看，無機膜還存在如下缺點：1、生產(chǎn)成本高，制造技術(shù)難度大。2、無機膜易發(fā)脆，給膜的成型加工及組件裝備帶來一定的困難。3、膜器安裝因密封的緣故，使其性能不能得到充分利用。 無機膜目前常見的制備方法有：溶膠凝膠法；陽極氧化法；熱分解法；水熱合成法等。無機膜的用途如下：1、無機膜在氣體分離領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括氣體（空氣）的凈化和氣體組分的分離。目前

9、成功應(yīng)用的僅是鈾同位素的分離，其它氣體凈化與分離過程均處于開發(fā)過程中。2、無機膜的應(yīng)用主要涉及液體的分離與凈化，包括食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、生物工程、化學(xué)工業(yè)、石油化工等。3、無機膜催化反應(yīng)器性能參數(shù)：膜的主要性能參數(shù)有物化穩(wěn)定性、透過特性、分離效率。膜的物化穩(wěn)定性主要取決于構(gòu)成膜的材料。主要是指膜的抗氧化性、抗水解性、耐熱性和機械強度等。膜的透過特性，用通量或滲透速率表示，即流動性，表示單位時間內(nèi)通過單位面積膜的體積流量(L/m2·h)。膜的分離效率，即選擇性，是膜過程的另一個重要性能，對于溶液脫鹽或某些高分子物質(zhì)和微粒的脫除用截留率表示，而對氣體混合物和有機液體混合物的分離通常用分離

10、系數(shù)（也稱分離因子）表示。6.沸石的基本結(jié)構(gòu)單元是什么？（初級結(jié)構(gòu)單元、次級結(jié)構(gòu)單元），沸石的合成采用什么方法？影響沸石性能的最主要因素是什么？(15分)答：沸石的基本結(jié)構(gòu)單元是三維空間的多面體。初級結(jié)構(gòu)單元是PBU，次級結(jié)構(gòu)單元是SUB。沸石的合成采用水熱合成法。影響沸石的最主要因素有：沸石的陽離子交換改性、沸石的脫鋁改性、沸石骨架的雜原子同晶置換和沸石分子篩的表面修飾。（1）離子交換對沸石性能的影響：孔徑大小發(fā)生變化：篩分性能、擇形催化性能陽離子的半徑，陽離子的極化能力，骨架電場的均勻性都發(fā)生變化：吸附性能、晶內(nèi)擴散性能、酸性、催化性能骨架與平衡離子的組成結(jié)構(gòu)：熱穩(wěn)定性（2）沸石的脫鋁改性

11、的影響：沸石分子篩的性質(zhì)與功能主要決定于骨架元素組成和孔道結(jié)構(gòu)Si/Al 比與分子篩的熱穩(wěn)定性、水熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、吸附性能、酸性、催化活性等緊密相關(guān)因此必須在一次合成的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)物采用特定的路線與方法進行再加工，以提高骨架的 Si/Al 比，并調(diào)控由此生成的非骨架鋁，從而改變其性質(zhì)與功能。（3）沸石骨架的雜原子同晶置換的影響：雜原子同晶置換可以引入與調(diào)變母體分子篩的酸性，氧化還原性及其催化活性。（4）沸石分子篩的表面修飾的影響：采用 Si(OCH3)4 作為修飾劑，進行化學(xué)氣相沉積，由于Si(OCH3)4 的分子動力學(xué)直徑在 0.89nm 左右，大于十二元環(huán)的孔徑，只與外表面和孔口的羥

12、基作用，在空氣中焙燒后形成 SiO2 涂層，覆蓋在外表面和孔口處，使孔口尺寸變小，并使外表面惰性，大大提高沸石的擇形性。化學(xué)氣相沉積法可通過控制表面 Si(OCH3)4 的沉積量，精細調(diào)變孔口直徑。7. 簡述一種多孔無機材料的組成、用途、制備方法和應(yīng)用進展 (25分) 答：多孔炭材料1）.所謂多孔炭材料是指具有不同孔結(jié)構(gòu)的碳素材料，其孔大小從具有相當(dāng)于分子大小的納米級超細微孔直到適于微生物增殖及活動的微米級細孔。2）.作為新材料，它們又具有耐高溫、耐酸堿、導(dǎo)電、傳熱等一系列優(yōu)點。多種形態(tài)的活性炭是這類材料的典型例子，它們在氣體和液體的精制、分離以及水處理和空氣凈化等方面已得到廣泛的應(yīng)用。 制備

13、方法：1）.物理活化法：利用氣體介質(zhì)對原料進行活化成孔，2）.化學(xué)活化法：利用化學(xué)試劑對原料進行活化成孔，3）.化學(xué)-物理活化法：先化學(xué)活化再用物理法進一步擴孔， 物理活化法工藝：反應(yīng)主要工序為炭化和活化兩個階段。炭化就是將原料加熱，預(yù)先除去其中的揮發(fā)成分，制成適合于下一步活化用的炭化料。炭化的實質(zhì)是有機物的熱解過程，包括熱分解反應(yīng)和熱縮聚反應(yīng)，在高溫條件下，有機化合物中所含的氫、氧等元素的組成被分解，炭原子不斷環(huán)化，芳構(gòu)化，結(jié)果使氫、氧、氮等原子不斷減少，炭不斷富集，最后成為富炭或純炭物質(zhì)。廣泛用于空氣凈化和除濕、冰箱除異味、氣化分離凈制、有機廢水/溶劑回收處理、防毒氣、催化劑或催化劑載體等

14、。1.多孔材料的結(jié)構(gòu)表征方法都有哪些，其主用作用是什么？(10分)答：（1）衍射XRD粉末技術(shù)：純度分析、測定骨架雜原子、推算晶體粒度單晶衍射法:分析可得所有結(jié)構(gòu)信息，準確可靠測量晶體沸石及分子篩結(jié)構(gòu)電子衍射:特別適用于微晶、表面和薄膜晶體的研究中子衍射:對測定中輕原子(包括氫原子)的位置特別有用（2）光譜(IR, Raman)紅外光譜：識別結(jié)構(gòu)中的官能團；分子篩骨架構(gòu)型的判別、表面羥基結(jié)構(gòu)、表面酸性以及分子篩的客體的結(jié)構(gòu)等方面的研究。拉曼光譜：研究分子篩的基本結(jié)構(gòu)單元和孔道環(huán)數(shù)、研究骨架原子的化學(xué)狀態(tài)。紫外可見光譜：研究分子篩中的雜原子的配位狀態(tài)（3）波譜(ESR, NMR)NMR測定骨架原

15、子的化學(xué)狀態(tài)；測定酸強度；分子篩的孔道結(jié)構(gòu)。ESR通過順磁信號判斷化學(xué)環(huán)境等，例如氧自由基等，廣泛地應(yīng)用于材料、生命科學(xué)、化學(xué)研究中。（4）顯微技術(shù)(TEM, SEM, AFM, STM)掃描電鏡：獲得結(jié)晶形貌、外表面、相的純度等信息；透射電鏡：觀測結(jié)構(gòu)、解析結(jié)構(gòu)。（5）吸附與脫附等技術(shù)(Isotherms)獲得表面積 （BET、LANGMUIR等）、孔徑分布（微孔：H-K方法；介孔：B-J-H方法；大孔：汞吸附法）、孔容、結(jié)晶度等信息2.多孔材料性能參數(shù)的表征方法有哪些，試舉2例說明其具體操作過程和所得到的性能參數(shù)？(15分)答：（1）表征方法孔隙率的測定方法有顯微分析法、直接稱重體積計算法

16、、浸泡介質(zhì)法、真空浸漬法和漂浮法等。孔徑的測量方法有斷面直接觀測法、氣泡法、透過法、壓汞法、氣體吸附法、離心力法、懸浮液過濾法、X射線小角度散射法等。孔形用不同放大倍數(shù)的光學(xué)顯微鏡、CT技術(shù)、渦流感應(yīng)技術(shù)、超聲波圖像、穿透技術(shù)來測量表征。比表面積測定方法主要有氣體吸附法(BET法)、流體透過法和壓汞法等。壓汞法可測定孔徑分布、表面積和孔率，、孔道的形狀分析。（2）浸泡介質(zhì)法：先用天平稱量出試樣在空氣中的重量W1，然后浸入介質(zhì)(如除氣的油，水、二甲苯或苯甲醇等)使其飽和，采用加熱鼓入法或減壓滲透法使介質(zhì)充分填滿多孔材料的孔隙。浸泡一定時間充分飽和后取出試樣，輕輕擦去表面的介質(zhì)，再用天平稱出其在空

17、氣中的總重量W2。然后將飽含介質(zhì)的試樣放在吊具上浸入工作液體中稱量，此時試樣連同吊具的總重量為W3，而無試樣時吊具懸吊于工作液體中的重量為W4。由此最后得出的多孔體孔隙率為：對于由多孔材料的制備而產(chǎn)生的表面缺陷，如孔壁上的微小孔洞或裂紋，可用穿透技術(shù)檢測。檢測時首先將液態(tài)化學(xué)試劑滲入多孔材料，化學(xué)試劑被孔洞和裂紋所吸收。待表面干爽后，施加發(fā)色劑，在留有化學(xué)試劑的地方即產(chǎn)生顏色，通過此方法可由簡單的可視方式確定多孔材料的表面缺陷形態(tài)。3.多孔陶瓷的特性參數(shù)有哪些，都有什么意義？(10分)答：（1）氣孔率：開口孔道體積占材料總體積的百分率，是決定多孔無機材料導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、光學(xué)性能，聲學(xué)性能、拉壓

18、強度、蠕變率等物理、力學(xué)性能的關(guān)鍵因素；（2）平均孔徑、最大孔徑和孔道長度：對多孔體的透過性、滲透速率、過濾性能等其他性質(zhì)有顯著影響；（3）滲透能力：在多孔陶瓷材料兩側(cè)存在一定壓力差的條件下，材料的滲透能力指材料透過流體的能力，一般用透氣度或滲透率來表征。4.多孔炭材料主要有哪幾類，各有什么特點和用途？(10分)答：（1）活性炭：內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積大，具有優(yōu)良的吸附性能和良好的化學(xué)穩(wěn)定性、物理穩(wěn)定性以及使用失效后容易再生等性能?？梢宰鳛闅?、液相吸附劑，催化劑和催化劑載體，電池電極材料及儲氫材料等。（2）活性炭纖維是指碳纖維及可碳化纖維經(jīng)過物理活化、化學(xué)活化或兩者兼有的活化反應(yīng)所制得的具

19、有豐富和發(fā)達孔隙結(jié)構(gòu)的功能型碳纖維。ACF為非晶態(tài)的無定型碳結(jié)構(gòu)，其中存在著大而不同的無數(shù)氣孔和微孔；比表面積可達到1500-3000m2/g，微孔孔徑在1nm左右，微孔體積占總孔體積90%以上；表面具有一系列含氧官能團，如羥基、酯基、羧基等等。ACF多用作吸附材料、催化劑材料、電極材料等。廣泛用于空氣凈化和除濕、冰箱除異味、氣化分離凈制、有機廢水/溶劑回收處理、防毒氣、催化劑或催化劑載體等。（3）碳分子篩，具有較為均勻的微孔結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)吸附劑，它具有接近被吸附分子直徑的楔形縫狀微孔，能夠把立體結(jié)構(gòu)大小有差異的分子分離開來。除耐燃燒性較差外，其他諸如強度、硬度、耐熱性、耐酸性及化學(xué)穩(wěn)定性等性能均

20、比沸石分子篩優(yōu)越。主要作用是分離空氣、富集氮氣。5 無機膜有哪些優(yōu)點和缺點，主要的制備方法和用途是什么，主要的性能參數(shù)有哪些，各是什么意義？(15分)答：優(yōu)點：熱穩(wěn)定性好，耐高溫，一般可以在400下使用，最高可達800以上,不老化、壽命長。 化學(xué)穩(wěn)定性好，耐有機溶劑，耐酸堿，抗微生物侵蝕。 機械強度大，擔(dān)載無機膜可承受幾十個大氣壓的外壓，并可反向沖洗。 凈化操作簡單、迅速，價格便宜，保存方便?？讖椒植颊?，分離效率高。缺點：生產(chǎn)成本高，制造技術(shù)難度大。 無機膜易發(fā)脆，給膜的成型加工及組件裝備帶來一定的困難。 膜器安裝因密封的緣故，使其性能不能得到充分利用。制備方法：溶膠凝膠法、陽極氧化法、熱分解

21、法、水熱合成法等。用途：主要用于氣體的凈化和分離，液體的凈化和分離，無機膜催化反應(yīng)器應(yīng)用于脫氫、加氫和氧化反應(yīng)。性能參數(shù)及意義：（1）膜的物化穩(wěn)定性，主要取決于構(gòu)成膜的材料。主要是指膜的抗氧化性、抗水解性、耐熱性和機械強度等。 （2）透過特性，用通量或滲透速率表示，即流動性，表示單位時間內(nèi)通過單位面積膜的體積流量(L/m2·h)。在實際的分離操作中，膜的滲透通量由于濃差極化、膜的壓密以及膜孔堵塞等原因?qū)㈦S時間衰減。 （3）分離效率，即選擇性，是膜過程的另一個重要性能，對于溶液脫鹽或某些高分子物質(zhì)和微粒的脫除用截留率表示，而對氣體混合物和有機液體混合物的分離通常用分離系數(shù)（也稱分離因子）表示。 （4）理想的膜過程應(yīng)該是同時具有好的選擇性和高的滲透性，實際上這兩者之間往往存在矛盾，在兩者之間尋找合適的平衡一直是膜分離技術(shù)研究的一個重要內(nèi)容。6 沸石的基本結(jié)構(gòu)單元是什么？（初級結(jié)構(gòu)單元、次級結(jié)構(gòu)單元），沸石的合成采用什么方法？影響沸石性能的最主要因素是什