多孔無(wú)機(jī)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(duì)稱性、無(wú)定型存在與否、晶體尺寸、應(yīng)力、堆垛層錯(cuò)、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(zhǔn)確最可靠的測(cè)量晶體沸石及分子篩結(jié)構(gòu)的方法。紅外光譜能夠識(shí)別結(jié)構(gòu)中的官能團(tuán)，進(jìn)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Z勾等方面的研究。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)在研究分子篩中

2、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(duì)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。NMR分子篩材料研究中能夠測(cè)定骨架原子的化學(xué)狀態(tài)。順磁共振（ESR）可以通過(guò)順磁信號(hào)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(cè)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(cè)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(shuō)明其具體操作過(guò)程和所得到的性能參數(shù)

3、？（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?jǐn)?shù)來(lái)表示。孔徑表征方式有最大孔徑、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(lái)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(lái)表示。（1）顯微分析法：本方法首先要求對(duì)多孔材料樣品制備出盡量平整的斷面，再通過(guò)顯徽鏡觀測(cè)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：0=Sp/So（求得的0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(cè)量方式類似于

4、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(jìn)行液中稱重來(lái)確定試樣的總體積，進(jìn)而測(cè)算得出多孔體的孔率（見(jiàn)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(shí)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(shí)試樣連同吊具的總重量為W3,而無(wú)試樣時(shí)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:工作液的密度?S:對(duì)應(yīng)致密

5、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(zhǎng)度；滲透能力。氣孔率表示開(kāi)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1000m到幾十微米的粗孔制品、0.2到20m的微孔制品和0.2m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(guò)流體的能力，一般用透氣度或滲透率來(lái)表征。綜合考慮多孔陶瓷使用時(shí)的具體要求以確定上述幾項(xiàng)指標(biāo)，是研制多孔材料的關(guān)鍵。4 .多孔炭材料主要有哪幾類，各有什么特點(diǎn)和用途？（10分

6、）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(diǎn)是內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、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(kāi)來(lái)。它除耐燃燒性較差外，其他諸如強(qiáng)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，碳分子篩已經(jīng)用于空氣分離制氮

7、、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(guò)濾嘴、色譜的固定相等?；钚蕴祭w維單絲直徑細(xì)，表面積大，吸附面積大；有效吸附孔分布窄，屬于單分散型；沒(méi)有或很少有大孔，且為徑向開(kāi)孔擴(kuò)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(qiáng)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(wú)機(jī)膜有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，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(jī)膜相比，無(wú)機(jī)膜具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、熱穩(wěn)定性好，耐高溫，一般可以在400c下使用，

8、最高可達(dá)800c以上，不老化、壽命長(zhǎng)。2、化學(xué)穩(wěn)定性好，耐有機(jī)溶劑，耐酸堿，抗微生物侵蝕。3、機(jī)械強(qiáng)度大，擔(dān)載無(wú)機(jī)膜可承受幾十個(gè)大氣壓的外壓，并可反向沖洗。4、凈化操作簡(jiǎn)單、迅速，價(jià)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(wú)機(jī)膜還存在如下缺點(diǎn)：1、生產(chǎn)成本高，制造技術(shù)難度大。2、無(wú)機(jī)膜易發(fā)脆，給膜的成型加工及組件裝備帶來(lái)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(wú)機(jī)膜目前常見(jiàn)的制備方法有：溶膠一凝膠法；陽(yáng)極氧化法；熱分解法；水熱合成法等。無(wú)機(jī)膜的用途如下：1、無(wú)機(jī)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。目前成功應(yīng)用的僅是鈾

9、同位素的分離，其它氣體凈化與分離過(guò)程均處于開(kāi)發(fā)過(guò)程中。2、無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(guò)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(jī)械強(qiáng)度等。膜的透過(guò)特性，用通量或滲透速率表示，即流動(dòng)性，表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積膜的體積流量（L/m2h）o膜的分離效率，即選擇性，是膜過(guò)程的另一個(gè)重要性能，對(duì)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(duì)氣體混合物和有機(jī)液體混合物的分離通常用分離系數(shù)（也稱分離因子）表示。6

10、 .沸石的基本結(jié)構(gòu)單元是什么？(初級(jí)結(jié)構(gòu)單元、次級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)單元是PBU,次級(jí)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(yáng)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(duì)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(yáng)離子的半徑，陽(yáng)離子的極化能力，骨架電場(chǎng)的均勻性都發(fā)生變化：吸附性能、晶內(nèi)擴(kuò)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)沸石的脫鋁改性的影響：沸石分子篩的性質(zhì)與

11、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(duì)產(chǎn)物采用特定的路線與方法進(jìn)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(jìn)行化學(xué)氣相沉積，由于Si(OCH3)4的分子動(dòng)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基作用，在空氣中焙燒后形成SiO2涂層，覆

12、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?；瘜W(xué)氣相沉積法可通過(guò)控制表面Si(OCH3)4的沉積量，精細(xì)調(diào)變孔口直徑。7.簡(jiǎn)述一種多孔無(wú)機(jī)材料的組成、用途、制備方法和應(yīng)用進(jìn)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(jí)超細(xì)微孔直到適于微生物增殖及活動(dòng)的微米級(jí)細(xì)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(diǎn)。多種形態(tài)的活性炭是這類材料的典型例子，它們?cè)跉怏w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。制備方法：1) .物理活化法：利用氣體介質(zhì)對(duì)原料進(jìn)行活化成

13、孔，2) .化學(xué)活化法：利用化學(xué)試劑對(duì)原料進(jìn)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(jìn)一步擴(kuò)孔，物理活化法工藝：反應(yīng)主要工序?yàn)樘炕突罨瘍蓚€(gè)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(shí)質(zhì)是有機(jī)物的熱解過(guò)程，包括熱分解反應(yīng)和熱縮聚反應(yīng)，在高溫條件下，有機(jī)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(jī)廢水/溶劑回收處理、防毒氣、催化劑或催化劑載體等。1 .多孔材料的結(jié)構(gòu)表征方法都有哪些，其主用作用

14、是什么？(10分)答：(1)衍射XRD粉末技術(shù)：純度分析、測(cè)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(zhǔn)確可靠測(cè)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(duì)測(cè)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(shí)別結(jié)構(gòu)中的官能團(tuán)；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(jiàn)光譜：研究分子篩中的雜原子的配位狀態(tài)(3)波譜(ESR,NMFR-)NMR測(cè)定骨架原子的化學(xué)狀態(tài)；測(cè)定酸強(qiáng)度；分子篩的孔道結(jié)構(gòu)。ESR

15、通過(guò)順磁信號(hào)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(cè)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(shuō)明其具體操作過(guò)程和所得到的性能參數(shù)？（15分）答：（1）表征方法孔隙率的測(cè)定方法有顯微分析法、直接稱重體積計(jì)算法、浸泡介質(zhì)法、真空浸漬法和漂浮法等。孔徑的測(cè)量方法有斷

16、面直接觀測(cè)法、氣泡法、透過(guò)法、壓汞法、氣體吸附法、離心力法、懸浮液過(guò)濾法、X射線小角度散射法等?？仔斡貌煌糯蟊稊?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(lái)測(cè)量表征。比表面積測(cè)定方法主要有氣體吸附法（BET法）、流體透過(guò)法和壓汞法等。壓汞法可測(cè)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(shí)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W2o然后將飽含介質(zhì)的試樣放在吊具上浸入工

17、作液體中稱量，此時(shí)試樣連同吊具的總重量為W3,而無(wú)試樣時(shí)吊具懸吊于工作液體中的I%3 二1重量為W4o由此最后得出的多孔體孔隙率為：（卬廣電+以）為對(duì)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(cè)。檢測(cè)時(shí)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(guò)此方法可由簡(jiǎn)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(kāi)口孔道體積占材料總體積的百分率，是決定多孔無(wú)機(jī)材料導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、光學(xué)性能,聲學(xué)性能、拉壓強(qiáng)度、蠕變率等物理、力學(xué)

18、性能的關(guān)鍵因素；（2）平均孔徑、最大孔徑和孔道長(zhǎng)度：對(duì)多孔體的透過(guò)性、滲透速率、過(guò)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(guò)流體的能力,一般用透氣度或滲透率來(lái)表征4 .多孔炭材料主要有哪幾類，各有什么特點(diǎn)和用途？（10分）答：（1）活性炭：內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、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(chǔ)氫材料等。（2）活性炭纖維是指碳纖維及可碳化纖維經(jīng)過(guò)物理活化、化學(xué)活化或兩者兼有的活化反應(yīng)所制得的具有豐富和發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的功

19、能型碳纖維。ACF為非晶態(tài)的無(wú)定型碳結(jié)構(gòu)，其中存在著大而不同的無(wú)數(shù)氣孔和微孔；比表面積可達(dá)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(tuán)，如羥基、酯基、竣基等等。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(jī)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(kāi)來(lái)。除耐燃燒性較差外，其他諸如強(qiáng)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。主要作

20、用是分離空氣、富集氮?dú)狻?無(wú)機(jī)膜有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，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(diǎn)：熱穩(wěn)定性好，耐高溫，一般可以在400c下使用，最高可達(dá)800c以上，不老化、壽命長(zhǎng)。化學(xué)穩(wěn)定性好，耐有機(jī)溶劑，耐酸堿，抗微生物侵蝕。機(jī)械強(qiáng)度大，擔(dān)載無(wú)機(jī)膜可承受幾十個(gè)大氣壓的外壓，并可反向沖洗。凈化操作簡(jiǎn)單、迅速，價(jià)格便宜，保存方便?？讖椒植颊?，分離效率高。缺點(diǎn)：生產(chǎn)成本高，制造技術(shù)難度大。無(wú)機(jī)膜易發(fā)脆，給膜的成型加工及組件裝備帶來(lái)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：溶膠一凝膠法、陽(yáng)極氧化法、熱分解法、水熱合成法等。用途：主要用

21、于氣體的凈化和分離，液體的凈化和分離，無(wú)機(jī)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(jī)械強(qiáng)度等。（2）透過(guò)特性，用通量或滲透速率表示，即流動(dòng)性，表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積膜的體積流量（L/m2-h）o在實(shí)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(shí)間衰減。（3）分離效率，即選擇性，是膜過(guò)程的另一個(gè)重要性能，對(duì)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(duì)氣體混合物和有機(jī)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(guò)程應(yīng)該是同時(shí)具有好的選擇性和高的滲透性，實(shí)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(gè)重要內(nèi)容。6沸石的基本結(jié)構(gòu)單元是什么？（初級(jí)結(jié)構(gòu)單元、次級(jí)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