畢業(yè)實習報告-147

PAGEPAGE4畢業(yè)實習報告姓名：徐崇瀅年級：09級專業(yè)及班級：應用化學1班學號：210992554實習地點及單位：國家環(huán)境光催化工程技術研究中心105實習日期：9月3日至9月21日指導教師：丁正新2012年9月21日實習內容（校內實習：課題組簡介、研究工作的內容、目的、實驗結果及主要實驗數據、結論）1、課題組簡介：2008年新組建的“國家環(huán)境光催化工程技術研究中心”是在“福建省光催化技術工程研究中心”的基礎上進行籌建的，主要依托單位福州大學，福州大學光催化研究所為“中心”組建的主體單位，主要產業(yè)依托企業(yè)漳州萬利達光催化科技有限公司和福建新大陸環(huán)?？萍加邢薰緸閰f作共建單位。新組建的“國家環(huán)境光催化工程技術研究中心”現擁有一支60余人的以工程院院士為學術與工程技術指導、以教授、研究員、高級工程師等優(yōu)秀中青年留學回國人員為主要科技骨干的研究隊伍，已具備開展應用基礎研究和工程化研究必需的先進儀器與設施（一座3500平方米的研究開發(fā)樓，內有價值近2200萬元的先進專用儀器設備；一座1500平方米的工程化中試研究樓，內有2條復合光催化劑中試生產線、一條光催化膜材料中試裝置和一整套光催化空氣凈化器評價裝置）。已建成的光催化劑制備實驗室、分析與性能測試實驗室、光催化技術與產品設計開發(fā)實驗室、工程化研究實驗室和中試生產車間，為我國環(huán)境光催化領域創(chuàng)新基礎研究、應用技術開發(fā)和工程化研究的構建了重要平臺。中心致力于在環(huán)境光催化材料的開發(fā)、光催化產品工程化研究和產業(yè)化實施，取得了一批具有自主知識產權的專利成果和應用基礎研究成果，先后獲得國家科技進步二等獎1項、省部級和軍隊科技一等獎3項，并獲得“國家高技術產業(yè)化示范工程”授牌。目前承擔著包括國家863計劃課題、國家973計劃課題、國家自然科學基金重點項目、國防科研項目、國家電網公司重大科技項目、福建省科技計劃重大項目等在內的30多項國家和省部級光催化科研項目以及一批與企業(yè)合作開發(fā)項目。2、研究工作的目的和內容：當前世界能源消耗的80%仍來自于以石油、煤、天然氣等為主的化石能源。從經濟、環(huán)境和社會的角度來看，這種能源供應和消費趨勢顯然是不可持續(xù)的。一方面，能源需求的快速增長將加重人們對能源供應安全的擔憂；另一方面，與現有能源制度有關的碳排放強度呈明顯上升的趨勢.碳排放中以CO2為主的溫室氣體的濃度持續(xù)增加。如何穩(wěn)定控制大氣中溫室氣體濃度(450ppm左右)的方案迅速成為研究熱點，引起了環(huán)境、能源、物理、化學等交叉學科研究者的極大興趣。人工光合成CO2轉化和利用的創(chuàng)新技術。它利用太陽能激發(fā)半導體光催化材料產生光生電子-空穴，以誘發(fā)氧化-還原反應將CO2和H2O合成碳氫燃料。與其它方法相比,該過程在常溫常壓下進行，原料簡單易得，直接利用太陽能無需耗費輔助能源，可真正實現碳材料的循環(huán)使用，因而被認為是最具前景的CO2轉化方法。光催化還原CO2的機理：光催化還原CO2是基于模擬植物的光合作用。綠色植物光合作用固定CO2是有機物質合成的出發(fā)點，它既是人類賴于生存的基礎，同時也為人工光合成還原CO2提供了借鑒。如圖1所示，植物光合作用過程的關鍵參與者是葉綠素,，它以太陽光作為動力，把經由氣孔進入葉子內部的CO2和由根部吸收的水轉變成為淀粉，同時釋放O2。當在自然界承載生命活動關鍵作用的樹葉進入科學家的視野后，一大批研究者將精力傾注于這項被稱為21世紀夢的技術—人工光合成的研究，建成工業(yè)化的光合作用工廠將會改變人類的生產活動和生活方式。由于CO2無法吸收波長在200~900nm的可見光和紫外光，人工光合成還原CO2需要借助于合適的光化學增感劑才能完成。自從20世紀70年代日本科學家發(fā)現TiO2光催化現象以來，大量的研究表明，金屬有機材料（MOF）和半導體材料（金屬氧化物）等都具有光催化活性。半導體光催化反應是以光能為驅動力的氧化-還原過程，其電子的激發(fā)與傳遞過程同光合作用過程極為相似。因此，人工光合成還原CO2實質上是在光誘導下的氧化-還原反應過程。它包含兩個基本過程：首先是CO2吸附在光催化材料的反應位點，其次是CO2與光生電子-空穴之間的反應轉化過程。因此，在光催化反應過程中，要激發(fā)并分離電子-空穴對，光的能量須等于或大于光催化劑的禁帶寬度。這些光生載流子的能量主要取決于光催化劑的導帶和價帶的位置。如圖2所示，半導體光催化材料在受到能量相當于或高于其本身禁帶寬度的光輻照時，晶體內的電子受激從價帶躍遷到導帶，在導帶和價帶分別形成自由電子和空穴，并從半導體內部遷移至表面。光生電子具有很強的還原能力，在H2O存在的條件下，根據不同的還原電勢和電子轉移數目(見圖式1)，將CO2還原得到HCHO，HCOOH，CH3OH和CH4等碳氫化合物。光生空穴具有很強的氧化能力，可以從H2O中奪取電子，并放出O2。由此可見，理論上只要合成禁帶寬度與光的能量相匹配，導帶和價帶的位置與反應物的氧化-還原電位相匹配的半導體光催化劑，就可以通過光催化反應來人工模擬植物的光合作用，以達到還原CO2的目的。3.實驗結果與主要實驗數據3.1MOF-74-Co的合成合成步驟稱取150mg2,5-二羥基對苯二甲酸，186mg六水合硝酸鈷溶解在15ml的四氫呋喃和水（V:V=1:1）的溶液中，把混合物放在反應釜里密封，攪拌，在110℃烘箱中反應3天。得到紅棕色的晶體，過濾、真空抽干。把所有合成的產物用甲醇浸泡4天，每天換一次新鮮的甲醇，再室溫下真空烘干，最后480K煅燒12小時，得到MOF-74-Co。圖2MOF-74-CoXRD圖3.2MOF-74-Mn的合成步驟：稱取219.6mg氯化錳和66.6mg2,5-二羥基對苯二甲酸加入到60的DMF（N,N-二甲基甲酰胺）：乙醇：水（V：V：V=1.5：1：1）的混合溶液中。將反應物放入反應釜旋緊，放到135的烘箱中反應24小時。合成出了棕色的產物。產物用甲醇浸泡3天，每天換新鮮的甲醇2次，以交換出產物中溶劑分子，將產物放到200度的真空烘干72小時。圖3MOF-74-MnXRD圖圖4標準XRD圖4.結論通過簡單的溶解熱法合成新型光催化材料MOF-74-Mn與MOF-74-Co，通過檢測出的XRD表征與標準XRD圖的對比，確定合成MOF-74-Mn和MOF-74-Co兩種物質具有與理論相同的結構，而且具有很高的結晶度。在今后的工作中，將會用到MOF-74-Mn和MOF-74-Co做催化劑，探索他們在CO2還原方向的應用，并對比性能，選擇催化性能更好的一種。實習體會（包括：實習收獲、對實習內容的評價等）這次為期三周的實習，讓我對我的實習單位國家環(huán)境光催化工程技術研究中心有了更加深入的了解，進入導師的課題組后才對師兄實驗的光催化的內容有了真正的認識，當今世界能源與資源問題已被提上日程，需要通過科技手段來開發(fā)新能源，課題組的項目就是圍繞CO2的還原展開的。CO2是隨處可得的物質，實驗就是希望在可見光的條件下，通過光敏催化劑將CO2還原成CO，CO就是人們生活中使用的煤氣的主要成分。探索的就是光敏催化劑的性能、還原效率。當今世界在這個領域上的研究已經初有成果，但是還處在理論及實驗室的的規(guī)模上，還不能達到工業(yè)化的水平。同時，在這三周里，是在師兄的指導下進行實驗的部分，進行了合成的一些基本操作，雖然內容不難，但為后期的畢業(yè)論文打下了堅實的基礎。實習出勤情況（全勤、缺勤次數等）指導教師評語徐