多孔无机材料答案

1、1. 多孔材料的结构表征方法都有哪些，其主用作用是什么？(10分) 答：多孔材料的结果表征方法有衍射、波谱、光谱、显微技术、吸附与脱附技术等。从X射线粉末衍射谱图能够知到材料的晶胞尺寸、杂质、对称性、无定型存在与否、晶体尺寸、应力、堆垛层错、晶体结构等信息。电子衍射可以适用于微晶、表面、薄膜晶体的研究。单晶XRD技术是最准确最可靠的测量晶体沸石及分子筛结构的方法。红外光谱能够识别结构中的官能团，进行分子筛骨架构型的判别、表面羟基结构、表面酸性以及分子筛的客体的结构等方面的研究。Raman技术可以研究分子筛的基本结构单元和孔道环数、研究骨架原子的化学状态。UV-Visible 光谱技术在研究分子

2、筛中的杂原子的配位状态则十分有效。利用核磁共振技术，根据化学位移可以考察原子核所处的化学环境，从而对化合物进行结构分析。NMR分子筛材料研究中能够测定骨架原子的化学状态。顺磁共振 (ESR)可以通过顺磁信号判断化学环境-例如氧自由基等。扫描电镜能够观察材料的外表面和结晶形貌，分析相的纯度。透射电镜能够观测和解析材料的结构。物理吸附研究中应用最多的主要有H-K方法确定微孔的孔分布和B-J-H法确定介孔的孔分布，大孔的孔分布则可以用汞吸附法确定。吸附分析可以测定材料表面积（BET、LANGMUIR等方法）、孔容、结晶度。2.多孔材料性能参数的表征方法有哪些，试举2例说明其具体操作过程和所得到的性能

3、参数？(15分)答：多孔材料性能参数有孔隙率、孔径大小与分别、孔形、比表面积等。孔隙率是指多孔材料中孔隙所占体积与多孔材料的总体积之比，一般以百分数来表示。孔径表征方式有最大孔径、平均孔径、孔径分布等。多孔材料的孔尺寸形貌在不同方向上存在着差异，多孔材料的这种各向异性程度可用各向异性率来表征。多孔材料比表面积在应用中有着重大意义，用单位质量材料的总面积来表示。（1）显微分析法：本方法首先要求对多孔材料样品制备出尽量平整的断面，再通过显徽镜观测出断面的总面积 Sp 和其中包含的孔隙面积 So，然后利用公式：=Sp/So（求得的即是多孔材料的孔隙率）（2）浸泡介质法：采用流体静力学原理，其测量方式

4、类似于天平称量法。它是将试样浸泡于液体介质中使其饱和后再进行液中称重来确定试样的总体积，进而测算得出多孔体的孔率(见图2.1)。具体步骤：先用天平称量出试样在空气中的重量W1，然后浸入介质(如除气的油，水、二甲苯或苯甲醇等)使其饱和，采用加热鼓入法或减压渗透法使介质充分填满多孔材料的孔隙。浸泡一定时间充分饱和后取出试样，轻轻擦去表面的介质， 再用天平称出其在空气中的总重量W2。然后将饱含介质的试样 放在吊具上浸入工作液体中称量，此时试样连同吊具的总重量 为W3，而无试样时吊具悬吊于工作液体中的重量为W4。由此最 后得出的多孔体孔隙率为：?0?1?W1?L, W2?W3?W4?S?L:工作液的密

5、度?S:对应致密固体材质的密度3.多孔陶瓷的特性参数有哪些，都有什么意义？(10分)答：多孔陶瓷的特性参数有：气孔率；平均孔径、最大孔径和孔道长度；渗透能力。气孔率表示开口孔道体积占材料总体积的百分率。根据气孔率的大小多孔陶瓷可以分为泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷、粒状陶瓷。根据孔径大小，陶瓷可分为1000 m到几十微米的粗孔制品、0.2到20 m的微孔制品和0.2 m到几纳米的超微孔制品。在多孔陶瓷材料两侧存在一定压力差的条件下，材料的渗透能力指材料透过流体的能力，一般用透气度或渗透率来表征。综合考虑多孔陶瓷使用时的具体要求以确定上述几项指标，是研制多孔材料的关键。4.多孔炭材料主要有哪几类，各有什么特

6、点和用途？(10分)答：多孔炭材料主要有活性炭、碳分子筛、活性碳纤维。活性炭的突出优点是内部孔隙结构发达、比表面积大，具有优良的吸附性能和良好的化学稳定性、物理稳定性以及使用失效后容易再生等性能。它能脱色、脱臭、脱硫、脱苯，还能选择性地脱除液相或气相中某些化学杂质。它也能吸附某些物质作为催化剂，使化学反应速度大大加快，是良好的催化剂裁体。碳分子筛（CMS）是一种具有较为均匀的微孔结构的碳质吸附剂，它具有接近被吸附分子直径的楔形缝状微孔，能够把立体结构大小有差异的分子分离开来。它除耐燃烧性较差外，其他诸如强度、硬度、耐热性、耐酸性及化学稳定性等性能均比沸石分子筛优越。作为碳质吸附材料，碳分子筛已

7、经用于空气分离制氮、催化剂载体、脱除天然气中的杂质CO2和H2O，饮料的除臭、香烟的过滤嘴、色谱的固定相等。活性碳纤维单丝直径细，表面积大，吸附面积大；有效吸附孔分布窄，属于单分散型；没有或很少有大孔，且为径向开孔扩散阻力小，吸附、脱附有行程短，吸脱速度快，；吸附位多，吸附容量大；体密度小，漏损小，处理速度快；杂质少，纯度高；强度高，粉尘少；形态好，后加工性好；导电、导热、蓄热量小。多用作吸附材料、催化剂材料、电极材料等。5.无机膜有哪些优点和缺点，主要的制备方法和用途是什么，主要的性能参数有哪些，各是什么意义？(15分)答：与有机膜相比，无机膜具有以下优点：1、 热稳定性好，耐高温，一般可以

8、在400下使用，最高可达800以上,不老化、寿命长。2、 化学稳定性好，耐有机溶剂，耐酸碱，抗微生物侵蚀。3、机械强度大，担载无机膜可承受几十个大气压的外压，并可反向冲洗。4、净化操作简单、迅速，价格便宜，保存方便。5、孔径分布窄，分离效率高。目前，从技术上看，无机膜还存在如下缺点：1、生产成本高，制造技术难度大。2、无机膜易发脆，给膜的成型加工及组件装备带来一定的困难。3、膜器安装因密封的缘故，使其性能不能得到充分利用。 无机膜目前常见的制备方法有：溶胶凝胶法；阳极氧化法；热分解法；水热合成法等。无机膜的用途如下：1、无机膜在气体分离领域的应用主要包括气体（空气）的净化和气体组分的分离。目前

9、成功应用的仅是铀同位素的分离，其它气体净化与分离过程均处于开发过程中。2、无机膜的应用主要涉及液体的分离与净化，包括食品工业、医药工业、生物工程、化学工业、石油化工等。3、无机膜催化反应器性能参数：膜的主要性能参数有物化稳定性、透过特性、分离效率。膜的物化稳定性主要取决于构成膜的材料。主要是指膜的抗氧化性、抗水解性、耐热性和机械强度等。膜的透过特性，用通量或渗透速率表示，即流动性，表示单位时间内通过单位面积膜的体积流量(L/m2·h)。膜的分离效率，即选择性，是膜过程的另一个重要性能，对于溶液脱盐或某些高分子物质和微粒的脱除用截留率表示，而对气体混合物和有机液体混合物的分离通常用分离

10、系数（也称分离因子）表示。6.沸石的基本结构单元是什么？（初级结构单元、次级结构单元），沸石的合成采用什么方法？影响沸石性能的最主要因素是什么？(15分)答：沸石的基本结构单元是三维空间的多面体。初级结构单元是PBU，次级结构单元是SUB。沸石的合成采用水热合成法。影响沸石的最主要因素有：沸石的阳离子交换改性、沸石的脱铝改性、沸石骨架的杂原子同晶置换和沸石分子筛的表面修饰。（1）离子交换对沸石性能的影响：孔径大小发生变化：筛分性能、择形催化性能阳离子的半径，阳离子的极化能力，骨架电场的均匀性都发生变化：吸附性能、晶内扩散性能、酸性、催化性能骨架与平衡离子的组成结构：热稳定性（2）沸石的脱铝改性

11、的影响：沸石分子筛的性质与功能主要决定于骨架元素组成和孔道结构Si/Al 比与分子筛的热稳定性、水热稳定性、化学稳定性、吸附性能、酸性、催化活性等紧密相关因此必须在一次合成的基础上，对产物采用特定的路线与方法进行再加工，以提高骨架的 Si/Al 比，并调控由此生成的非骨架铝，从而改变其性质与功能。（3）沸石骨架的杂原子同晶置换的影响：杂原子同晶置换可以引入与调变母体分子筛的酸性，氧化还原性及其催化活性。（4）沸石分子筛的表面修饰的影响：采用 Si(OCH3)4 作为修饰剂，进行化学气相沉积，由于Si(OCH3)4 的分子动力学直径在 0.89nm 左右，大于十二元环的孔径，只与外表面和孔口的羟

12、基作用，在空气中焙烧后形成 SiO2 涂层，覆盖在外表面和孔口处，使孔口尺寸变小，并使外表面惰性，大大提高沸石的择形性。化学气相沉积法可通过控制表面 Si(OCH3)4 的沉积量，精细调变孔口直径。7. 简述一种多孔无机材料的组成、用途、制备方法和应用进展 (25分) 答：多孔炭材料1）.所谓多孔炭材料是指具有不同孔结构的碳素材料，其孔大小从具有相当于分子大小的纳米级超细微孔直到适于微生物增殖及活动的微米级细孔。2）.作为新材料，它们又具有耐高温、耐酸碱、导电、传热等一系列优点。多种形态的活性炭是这类材料的典型例子，它们在气体和液体的精制、分离以及水处理和空气净化等方面已得到广泛的应用。 制备

13、方法：1）.物理活化法：利用气体介质对原料进行活化成孔，2）.化学活化法：利用化学试剂对原料进行活化成孔，3）.化学-物理活化法：先化学活化再用物理法进一步扩孔， 物理活化法工艺：反应主要工序为炭化和活化两个阶段。炭化就是将原料加热，预先除去其中的挥发成分，制成适合于下一步活化用的炭化料。炭化的实质是有机物的热解过程，包括热分解反应和热缩聚反应，在高温条件下，有机化合物中所含的氢、氧等元素的组成被分解，炭原子不断环化，芳构化，结果使氢、氧、氮等原子不断减少，炭不断富集，最后成为富炭或纯炭物质。广泛用于空气净化和除湿、冰箱除异味、气化分离净制、有机废水/溶剂回收处理、防毒气、催化剂或催化剂载体等

14、。1.多孔材料的结构表征方法都有哪些，其主用作用是什么？(10分)答：（1）衍射XRD粉末技术：纯度分析、测定骨架杂原子、推算晶体粒度单晶衍射法:分析可得所有结构信息，准确可靠测量晶体沸石及分子筛结构电子衍射:特别适用于微晶、表面和薄膜晶体的研究中子衍射:对测定中轻原子(包括氢原子)的位置特别有用（2）光谱(IR, Raman)红外光谱：识别结构中的官能团；分子筛骨架构型的判别、表面羟基结构、表面酸性以及分子筛的客体的结构等方面的研究。拉曼光谱：研究分子筛的基本结构单元和孔道环数、研究骨架原子的化学状态。紫外可见光谱：研究分子筛中的杂原子的配位状态（3）波谱(ESR, NMR)NMR测定骨架原

15、子的化学状态；测定酸强度；分子筛的孔道结构。ESR通过顺磁信号判断化学环境等，例如氧自由基等，广泛地应用于材料、生命科学、化学研究中。（4）显微技术(TEM, SEM, AFM, STM)扫描电镜：获得结晶形貌、外表面、相的纯度等信息；透射电镜：观测结构、解析结构。（5）吸附与脱附等技术(Isotherms)获得表面积 （BET、LANGMUIR等）、孔径分布（微孔：H-K方法；介孔：B-J-H方法；大孔：汞吸附法）、孔容、结晶度等信息2.多孔材料性能参数的表征方法有哪些，试举2例说明其具体操作过程和所得到的性能参数？(15分)答：（1）表征方法孔隙率的测定方法有显微分析法、直接称重体积计算法

16、、浸泡介质法、真空浸渍法和漂浮法等。孔径的测量方法有断面直接观测法、气泡法、透过法、压汞法、气体吸附法、离心力法、悬浮液过滤法、X射线小角度散射法等。孔形用不同放大倍数的光学显微镜、CT技术、涡流感应技术、超声波图像、穿透技术来测量表征。比表面积测定方法主要有气体吸附法(BET法)、流体透过法和压汞法等。压汞法可测定孔径分布、表面积和孔率，、孔道的形状分析。（2）浸泡介质法：先用天平称量出试样在空气中的重量W1，然后浸入介质(如除气的油，水、二甲苯或苯甲醇等)使其饱和，采用加热鼓入法或减压渗透法使介质充分填满多孔材料的孔隙。浸泡一定时间充分饱和后取出试样，轻轻擦去表面的介质，再用天平称出其在空

17、气中的总重量W2。然后将饱含介质的试样放在吊具上浸入工作液体中称量，此时试样连同吊具的总重量为W3，而无试样时吊具悬吊于工作液体中的重量为W4。由此最后得出的多孔体孔隙率为：对于由多孔材料的制备而产生的表面缺陷，如孔壁上的微小孔洞或裂纹，可用穿透技术检测。检测时首先将液态化学试剂渗入多孔材料，化学试剂被孔洞和裂纹所吸收。待表面干爽后，施加发色剂，在留有化学试剂的地方即产生颜色，通过此方法可由简单的可视方式确定多孔材料的表面缺陷形态。3.多孔陶瓷的特性参数有哪些，都有什么意义？(10分)答：（1）气孔率：开口孔道体积占材料总体积的百分率，是决定多孔无机材料导热性、导电性、光学性能，声学性能、拉压

18、强度、蠕变率等物理、力学性能的关键因素；（2）平均孔径、最大孔径和孔道长度：对多孔体的透过性、渗透速率、过滤性能等其他性质有显著影响；（3）渗透能力：在多孔陶瓷材料两侧存在一定压力差的条件下，材料的渗透能力指材料透过流体的能力，一般用透气度或渗透率来表征。4.多孔炭材料主要有哪几类，各有什么特点和用途？(10分)答：（1）活性炭：内部孔隙结构发达、比表面积大，具有优良的吸附性能和良好的化学稳定性、物理稳定性以及使用失效后容易再生等性能。可以作为气、液相吸附剂，催化剂和催化剂载体，电池电极材料及储氢材料等。（2）活性炭纤维是指碳纤维及可碳化纤维经过物理活化、化学活化或两者兼有的活化反应所制得的具

19、有丰富和发达孔隙结构的功能型碳纤维。ACF为非晶态的无定型碳结构，其中存在着大而不同的无数气孔和微孔；比表面积可达到1500-3000m2/g，微孔孔径在1nm左右，微孔体积占总孔体积90%以上；表面具有一系列含氧官能团，如羟基、酯基、羧基等等。ACF多用作吸附材料、催化剂材料、电极材料等。广泛用于空气净化和除湿、冰箱除异味、气化分离净制、有机废水/溶剂回收处理、防毒气、催化剂或催化剂载体等。（3）碳分子筛，具有较为均匀的微孔结构的碳质吸附剂，它具有接近被吸附分子直径的楔形缝状微孔，能够把立体结构大小有差异的分子分离开来。除耐燃烧性较差外，其他诸如强度、硬度、耐热性、耐酸性及化学稳定性等性能均

20、比沸石分子筛优越。主要作用是分离空气、富集氮气。5 无机膜有哪些优点和缺点，主要的制备方法和用途是什么，主要的性能参数有哪些，各是什么意义？(15分)答：优点：热稳定性好，耐高温，一般可以在400下使用，最高可达800以上,不老化、寿命长。 化学稳定性好，耐有机溶剂，耐酸碱，抗微生物侵蚀。 机械强度大，担载无机膜可承受几十个大气压的外压，并可反向冲洗。 净化操作简单、迅速，价格便宜，保存方便。孔径分布窄，分离效率高。缺点：生产成本高，制造技术难度大。 无机膜易发脆，给膜的成型加工及组件装备带来一定的困难。 膜器安装因密封的缘故，使其性能不能得到充分利用。制备方法：溶胶凝胶法、阳极氧化法、热分解

21、法、水热合成法等。用途：主要用于气体的净化和分离，液体的净化和分离，无机膜催化反应器应用于脱氢、加氢和氧化反应。性能参数及意义：（1）膜的物化稳定性，主要取决于构成膜的材料。主要是指膜的抗氧化性、抗水解性、耐热性和机械强度等。 （2）透过特性，用通量或渗透速率表示，即流动性，表示单位时间内通过单位面积膜的体积流量(L/m2·h)。在实际的分离操作中，膜的渗透通量由于浓差极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因将随时间衰减。 （3）分离效率，即选择性，是膜过程的另一个重要性能，对于溶液脱盐或某些高分子物质和微粒的脱除用截留率表示，而对气体混合物和有机液体混合物的分离通常用分离系数（也称分离因子）表示。 （4）理想的膜过程应该是同时具有好的选择性和高的渗透性，实际上这两者之间往往存在矛盾，在两者之间寻找合适的平衡一直是膜分离技术研究的一个重要内容。6 沸石的基本结构单元是什么？（初级结构单元、次级结构单元），沸石的合成采用什么方法？影响沸石性能的最主要因素是什