毕业实习报告-147

PAGEPAGE4毕业实习报告姓名：徐崇滢年级：09级专业及班级：应用化学1班学号：210992554实习地点及单位：国家环境光催化工程技术研究中心105实习日期：9月3日至9月21日指导教师：丁正新2012年9月21日实习内容（校内实习：课题组简介、研究工作的内容、目的、实验结果及主要实验数据、结论）1、课题组简介：2008年新组建的“国家环境光催化工程技术研究中心”是在“福建省光催化技术工程研究中心”的基础上进行筹建的，主要依托单位福州大学，福州大学光催化研究所为“中心”组建的主体单位，主要产业依托企业漳州万利达光催化科技有限公司和福建新大陆环保科技有限公司为协作共建单位。新组建的“国家环境光催化工程技术研究中心”现拥有一支60余人的以工程院院士为学术与工程技术指导、以教授、研究员、高级工程师等优秀中青年留学回国人员为主要科技骨干的研究队伍，已具备开展应用基础研究和工程化研究必需的先进仪器与设施（一座3500平方米的研究开发楼，内有价值近2200万元的先进专用仪器设备；一座1500平方米的工程化中试研究楼，内有2条复合光催化剂中试生产线、一条光催化膜材料中试装置和一整套光催化空气净化器评价装置）。已建成的光催化剂制备实验室、分析与性能测试实验室、光催化技术与产品设计开发实验室、工程化研究实验室和中试生产车间，为我国环境光催化领域创新基础研究、应用技术开发和工程化研究的构建了重要平台。中心致力于在环境光催化材料的开发、光催化产品工程化研究和产业化实施，取得了一批具有自主知识产权的专利成果和应用基础研究成果，先后获得国家科技进步二等奖1项、省部级和军队科技一等奖3项，并获得“国家高技术产业化示范工程”授牌。目前承担着包括国家863计划课题、国家973计划课题、国家自然科学基金重点项目、国防科研项目、国家电网公司重大科技项目、福建省科技计划重大项目等在内的30多项国家和省部级光催化科研项目以及一批与企业合作开发项目。2、研究工作的目的和内容：当前世界能源消耗的80%仍来自于以石油、煤、天然气等为主的化石能源。从经济、环境和社会的角度来看，这种能源供应和消费趋势显然是不可持续的。一方面，能源需求的快速增长将加重人们对能源供应安全的担忧；另一方面，与现有能源制度有关的碳排放强度呈明显上升的趋势.碳排放中以CO2为主的温室气体的浓度持续增加。如何稳定控制大气中温室气体浓度(450ppm左右)的方案迅速成为研究热点，引起了环境、能源、物理、化学等交叉学科研究者的极大兴趣。人工光合成CO2转化和利用的创新技术。它利用太阳能激发半导体光催化材料产生光生电子-空穴，以诱发氧化-还原反应将CO2和H2O合成碳氢燃料。与其它方法相比,该过程在常温常压下进行，原料简单易得，直接利用太阳能无需耗费辅助能源，可真正实现碳材料的循环使用，因而被认为是最具前景的CO2转化方法。光催化还原CO2的机理：光催化还原CO2是基于模拟植物的光合作用。绿色植物光合作用固定CO2是有机物质合成的出发点，它既是人类赖于生存的基础，同时也为人工光合成还原CO2提供了借鉴。如图1所示，植物光合作用过程的关键参与者是叶绿素,，它以太阳光作为动力，把经由气孔进入叶子内部的CO2和由根部吸收的水转变成为淀粉，同时释放O2。当在自然界承载生命活动关键作用的树叶进入科学家的视野后，一大批研究者将精力倾注于这项被称为21世纪梦的技术—人工光合成的研究，建成工业化的光合作用工厂将会改变人类的生产活动和生活方式。由于CO2无法吸收波长在200~900nm的可见光和紫外光，人工光合成还原CO2需要借助于合适的光化学增感剂才能完成。自从20世纪70年代日本科学家发现TiO2光催化现象以来，大量的研究表明，金属有机材料（MOF）和半导体材料（金属氧化物）等都具有光催化活性。半导体光催化反应是以光能为驱动力的氧化-还原过程，其电子的激发与传递过程同光合作用过程极为相似。因此，人工光合成还原CO2实质上是在光诱导下的氧化-还原反应过程。它包含两个基本过程：首先是CO2吸附在光催化材料的反应位点，其次是CO2与光生电子-空穴之间的反应转化过程。因此，在光催化反应过程中，要激发并分离电子-空穴对，光的能量须等于或大于光催化剂的禁带宽度。这些光生载流子的能量主要取决于光催化剂的导带和价带的位置。如图2所示，半导体光催化材料在受到能量相当于或高于其本身禁带宽度的光辐照时，晶体内的电子受激从价带跃迁到导带，在导带和价带分别形成自由电子和空穴，并从半导体内部迁移至表面。光生电子具有很强的还原能力，在H2O存在的条件下，根据不同的还原电势和电子转移数目(见图式1)，将CO2还原得到HCHO，HCOOH，CH3OH和CH4等碳氢化合物。光生空穴具有很强的氧化能力，可以从H2O中夺取电子，并放出O2。由此可见，理论上只要合成禁带宽度与光的能量相匹配，导带和价带的位置与反应物的氧化-还原电位相匹配的半导体光催化剂，就可以通过光催化反应来人工模拟植物的光合作用，以达到还原CO2的目的。3.实验结果与主要实验数据3.1MOF-74-Co的合成合成步骤称取150mg2,5-二羟基对苯二甲酸，186mg六水合硝酸钴溶解在15ml的四氢呋喃和水（V:V=1:1）的溶液中，把混合物放在反应釜里密封，搅拌，在110℃烘箱中反应3天。得到红棕色的晶体，过滤、真空抽干。把所有合成的产物用甲醇浸泡4天，每天换一次新鲜的甲醇，再室温下真空烘干，最后480K煅烧12小时，得到MOF-74-Co。图2MOF-74-CoXRD图3.2MOF-74-Mn的合成步骤：称取219.6mg氯化锰和66.6mg2,5-二羟基对苯二甲酸加入到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。将反应物放入反应釜旋紧，放到135的烘箱中反应24小时。合成出了棕色的产物。产物用甲醇浸泡3天，每天换新鲜的甲醇2次，以交换出产物中溶剂分子，将产物放到200度的真空烘干72小时。图3MOF-74-MnXRD图图4标准XRD图4.结论通过简单的溶解热法合成新型光催化材料MOF-74-Mn与MOF-74-Co，通过检测出的XRD表征与标准XRD图的对比，确定合成MOF-74-Mn和MOF-74-Co两种物质具有与理论相同的结构，而且具有很高的结晶度。在今后的工作中，将会用到MOF-74-Mn和MOF-74-Co做催化剂，探索他们在CO2还原方向的应用，并对比性能，选择催化性能更好的一种。实习体会（包括：实习收获、对实习内容的评价等）这次为期三周的实习，让我对我的实习单位国家环境光催化工程技术研究中心有了更加深入的了解，进入导师的课题组后才对师兄实验的光催化的内容有了真正的认识，当今世界能源与资源问题已被提上日程，需要通过科技手段来开发新能源，课题组的项目就是围绕CO2的还原展开的。CO2是随处可得的物质，实验就是希望在可见光的条件下，通过光敏催化剂将CO2还原成CO，CO就是人们生活中使用的煤气的主要成分。探索的就是光敏催化剂的性能、还原效率。当今世界在这个领域上的研究已经初有成果，但是还处在理论及实验室的的规模上，还不能达到工业化的水平。同时，在这三周里，是在师兄的指导下进行实验的部分，进行了合成的一些基本操作，虽然内容不难，但为后期的毕业论文打下了坚实的基础。实习出勤情况（全勤、缺勤次数等）指导教师评语徐