簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 洪維瑛
Hung, Wei-Ying
論文名稱： 利用水熱法製備Cobalt-Silicate和Nickel-Silicate孔洞複合性材料作為吸附劑和催化觸媒
Using Hydrothermal Treatment to Synthesize Cobalt-Silicate and Nickel-Silicate Mesoporous Materials as Adsorbents and Catalysts
指導教授： 林弘萍
Lin, Hong-Ping
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 168
中文關鍵詞： cobalt-silicate 、nickel-silicate 、稻殼 、吸附劑 、催化觸媒
外文關鍵詞： cobalt-silicate, nickel-silicate, rice husk, adsorbents, catalysts
相關次數： 點閱：100  下載：2 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 本論文主旨在於，利用簡便的方式合成出高表面積的cobalt-silicate和nickel-silicate孔洞性複合材料，並對其應用進行探討。研究中發現此類型的孔洞複合材料對於吸附毒性離子(Hg2+、HAsO42-)和作為催化觸媒有良好的效果。
    本實驗室對於高表面積之中孔洞氧化矽材料的合成，已累積相當久的經驗，因此在本研究，即引入高表面積中孔洞氧化矽與金屬氫氧化物結合，在100℃鹼性環境下進行水熱反應，使中孔洞氧化矽溶解再結晶去剝蝕金屬氫氧化物，接著重組排列後形成片狀堆疊的結構，此結構與自然環境中存在的phyllosilicate minerals相似。此外，藉由改變實驗條件(金屬/氧化矽比例、金屬氫氧化物熟化的pH值和時間、水熱反應時間、氧化矽來源、調控pH值的鹼源…等)，找尋一最佳合成條件，並發現此合成方式具有很好的再現性和組成包容性；另外，再以更簡化的步驟直接以矽酸鈉作為氧化矽來源進行合成，在適當的條件下一樣能得到高表面積的孔洞性複合材料；因此更進一步以價格低的工業級矽酸鈉取代，其所合成之產物cobalt-silicate的表面積達到454 m2/g，而nickel-silicate達到551 m2/g，此結果對於大量合成的便利性和成本的考量是一大優勢。
    自然界中大部分的禾本科植物內都含有無機物氧化矽用以增強結構強度，其中稻草便是台灣常見的禾本科植物。嘗試將稻殼引入合成作為氧化矽來源，利用鹼性環境水熱時使稻殼內的氧化矽溶出與金屬氫氧化物結合，一樣可形成metal-silicates。此外，稻殼中還含有木質素、纖維素等有機物質，可藉由改變水熱時的水量、溶液的酸鹼性而分段抽取出所需物質，木質素進一步可轉碳形成高表面積之孔洞碳材，而纖維素則可作為生質酒精之原料，抽取掉無機物後剩下的稻殼可燃燒產生熱能用於發電，此結果融入綠色化學廢棄物再利用的概念。

    In this thesis, we mainly focused on providing a simple method to synthesize high surface-area porous cobalt-silicate and nickel-silicate. In practical applications, these metal-silicate composites demonstrate high performances to be used as adsorbents of toxic ions (of Hg2+, HAsO42-) and as catalysts towards O3, NH3 and N2O-decompositions.
    Because we can mass-produce the mesoporous silica of high surface-area, it was directly used to combine with metal hydroxides. In neutral or alkaline solution, mesoporous silica can dissolve and reconstruct to exfoliate the layered metal hydroxides during hydrothermal treatment, and then sheet-like structure was formed. This clay structure is similar to the metal phyllosilicate minerals in nature. In order to find an optimal synthesis conditions, many experimental factors (the ratio of metal/silica, the pH value and aging time of metal hydroxide, the hydrothermal reaction time, silica sources, alkali sources, etc.) have been studied. The resulted materials are highly reproducible and this synthetic concept can be extended to use other cheap sources. For example, sodium silicate can also be used as the silica source to prepare porous cobalt-silicate with 454 m2/g and nickel-silicate with 551 m2/g, respectively. These good results reveal that this synthesis method possesses advantages of convenience and low-cost.
    In nature, most of gramineae plants contain inorganic silica to enhance the structural strength. The bio-silicate isolated from rice husk can be used as an alternative silica source to prepare metal-silicates. During hydrothermal reaction, silica in rice husk dissolves and then combines with metal hydroxide under an alkaline environment. In addition to silica, rice husk also contains lignin, cellulose and other organic matters. The desired substance can be extracted in sequence by changing water amount and the pH value of the solution. Lignin can be further carbonized to form porous carbon with high surface-area, cellulose can be used as raw material of the bio-ethanol, and the silica-extracted rice husk is easier to burn off to release heat for electricity generation. These applications are fit the green chemistry concepts of reusing agricultural wastes.

    第一章 序論 1 1.1 中孔洞材料介紹 1 1.2 結合金屬氧化物之中孔洞氧化矽材料合成 3 1.2.1 觸媒的合成方法 3 1.2.2 異相成核法 4 1.3 矽酸鹽的基本概念 5 1.4 Phyllosilicates(頁矽酸鹽)簡介 7 1.5 應用範疇使用之物質性質介紹 8 第二章 實驗部分 12 2.1 化學藥品 12 2.2 實驗流程 13 2.2.1 以模板法製備中孔洞氧化矽 13 2.2.2 以水熱法製備cobalt-silicate孔洞材料 14 2.2.3 以水熱法製備nickel-silicate孔洞材料 15 2.2.4 單純以鹼性溶液抽取稻殼中的氧化矽 15 2.2.5 利用農業廢棄物-稻殼製備金屬/氧化矽複合材料 16 2.3 儀器鑑定分析 17 2.3.1 熱重分析儀(Thermogravimetry Analysis；TGA) 17 2.3.2 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy；TEM) 17 2.3.3 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy；SEM) 18 2.3.4 能量散佈分析儀(Energy Dispersive X-ray Spectrometer；EDX) 18 2.3.5 氮氣等溫吸附/脫附測量(N2 Adsorption / Desorption Isotherm) 19 2.3.6 X-射線粉末繞射光譜(Powder X-Ray Diffraction；PXRD) 23 2.3.7 誘導耦合電漿(Induced Coupled Plasma) 24 第三章 以水熱法製備cobalt-silicate孔洞材料 26 3.1 研究目的與動機 26 3.2 調控鈷/氧化矽莫耳比例，所製備的cobalt-silicate孔洞材料之鑑定；(鈷/氧化矽莫耳比例=S) 27 3.3 調控氫氧化鈷沉澱物熟化的pH值，所製備的cobalt-silicate孔洞材料之鑑定 30 3.4 改變水熱時間，所製備的cobalt-silicate孔洞材料之鑑定 37 3.5 改變氫氧化鈷沉澱物的熟化時間，所製備的cobalt-silicate孔洞材料之鑑定 40 3.6 探討氫氧化鈷沉澱物的結晶度對製備cobalt-silicate孔洞材料的影響 44 3.7 中孔洞氧化矽與氫氧化鈷沉澱物作用之機構推導 47 3.8 探討合成的cobalt-silicate孔洞材料之熱穩定度 50 3.9 使用不同氧化矽來源，所製備的cobalt-silicate孔洞材料之鑑定 52 3.10 直接以矽酸鈉作為氧化矽來源，所製備的cobalt-silicate孔洞材料之鑑定 55 3.10.1 直接以矽酸鈉取代氧化矽 55 3.10.2 以矽酸鈉取代氧化矽，並加入硫酸溶液降低pH值 56 3.10.3 機制推導 59 3.10.4 以工業級矽酸鈉取代氧化矽 60 3.11 以碳酸鈉溶液取代氫氧化鈉溶液作為鹼源，所製備之cobalt -silicate孔洞材料之鑑定 62 3.11.1 改變鈷沉澱物熟化的pH值 64 3.11.2 改變鈷沉澱物熟化的時間 69 3.11.3 以矽酸鈉直接合成 72 第四章 以水熱法製備nickel-silicate孔洞材料 75 4.1 研究目的與動機 75 4.2 調控鎳/氧化矽莫耳比例，所製備的nickel-silicate孔洞材料之鑑定；(鎳/氧化矽莫耳比例=S) 75 4.3 調控氫氧化鎳沉澱物熟化的pH值，所製備的nickel-silicate孔洞材料之鑑定 78 4.4 改變水熱時間，所製備的nickel-silicate孔洞材料之鑑定 81 4.5 改變氫氧化鎳沉澱物的熟化的時間，所製備的nickel-silicate孔洞材料之鑑定 84 4.6 利用高結晶性氫氧化鎳沉澱物進行長時間水熱反應，所製備之nickel-silicate材料之鑑定 87 4.7 中孔洞氧化矽與氫氧化鎳沉澱物作用之機構推導 91 4.8 探討合成的nickel-silicate孔洞材料之熱穩定度 93 4.9 使用不同氧化矽來源，所製備的nickel-silicate孔洞材料之鑑定 96 4.10 直接以矽酸鈉作為氧化矽來源，所製備的nickel-silicate孔洞材料之鑑定 98 4.10.1 直接以矽酸鈉取代氧化矽 98 4.10.2 以矽酸鈉取代氧化矽，並加入硫酸溶液降低pH值 99 4.10.3 機制推導 101 4.10.4 以工業級矽酸鈉取代 102 4.11 以碳酸鈉溶液取代氫氧化鈉溶液作為鹼源，所製備之nickel -silicate孔洞材料之鑑定 105 4.11.1 改變鎳沉澱物熟化的pH值 106 4.11.2 改變鎳沉澱物熟化的時間 110 4.11.3 以矽酸鈉直接合成 113 第五章 生質能源利用 116 5.1 研究目的與動機 116 5.2 農業廢棄物稻殼內含物的分析 116 5.3 單純以鹼性溶液抽取稻殼中的氧化矽 118 5.3.1 水熱時間的影響 118 5.3.2 碳酸鈉量的影響 119 5.3.3 水量的影響 121 5.4 稻殼內含物應用 123 5.5 調控氫氧化鈷沉澱物熟化的pH值，與稻殼中的氧化矽結合所製備的cobalt-silicate孔洞材料之鑑定 125 5.6 加入其他鹼源維持水熱反應的pH值，所製備的cobalt-silicate孔洞材料之鑑定 129 5.7 使用其他鹼源調控鈷沉澱物的pH值，所製備的cobalt -silicate孔洞材料之鑑定 130 5.7.1 利用碳酸鈉溶液當作鹼源調控不同pH值 130 5.7.2 利用尿素直接反應 133 5.8 調控氫氧化鎳沉澱物熟化的pH值，與稻殼中的氧化矽結合所製備的nickel-silicate孔洞材料之鑑定 135 5.9 加入其他鹼源維持水熱反應的pH值，所製備的nickel-silicate孔洞材料之鑑定 137 5.10 加入少量矽酸鈉先與氫氧化鎳沉澱物反應，所製備之nickel-silicate材料之鑑定 139 5.11 使用碳酸鈉溶液當作鹼源調控鎳沉澱物熟化的pH值，所製備之nickel-silicate孔洞材料之鑑定 141 5.12 反應機構探討 143 第六章 應用範疇 145 6.1 移除汞離子(Hg2+)： 145 6.2 移除砷酸根離子(HAsO42-)： 149 6.3 催化分解一氧化二氮(N2O)： 153 6.4 吸附氨氣： 158 6.5 去除臭氧： 159 第七章 總結 161 參考文獻 165

    1. D. H. Everett, Pure Appl Chem, 1972, 31, 578.
    2. J. S. Beck, J. C. Vartuli, W. J. Roth, M. E. Leonowicz, C. T. Kresge, K. D. Schmitt, C. T. W. Chu, D. H. Olson, E. W. Sheppard, S. B. Mccullen, J. B. Higgins and J. L. Schlenker, J Am Chem Soc, 1992, 114, 10834-10843.
    3. C. T. Kresge, M. E. Leonowicz, W. J. Roth, J. C. Vartuli and J. S. Beck, Nature, 1992, 359, 710-712.
    4. H. R. Luckarift, J. C. Spain, R. R. Naik and M. O. Stone, Nat Biotechnol, 2004, 22, 211-213.
    5. M. Mureseanu, A. Galarneau, G. Renard and F. Fajula, Langmuir, 2005, 21, 4648-4655.
    6. Y. J. Wang and F. Caruso, Chem Mater, 2005, 17, 953-961.
    7. C. G. Wu and T. Bein, Science, 1994, 266, 1013-1015.
    8. C. G. Wu and T. Bein, Science, 1994, 264, 1757-1759.
    9. C. G. Wu and T. Bein, Chem Mater, 1994, 6, 1109-1112.
    10. T. Abe, Y. Tachibana, T. Uematsu and M. Iwamoto, J Chem Soc Chem Comm, 1995, 1617-1618.
    11. C. H. Ko and R. Ryoo, Chem Commun, 1996, 2467-2468.
    12. Y. S. Lee, D. Surjadi and J. F. Rathman, Langmuir, 1996, 12, 6202-6210.
    13. S. C. Tsang, J. J. Davis, M. L. H. Green, H. Allen, O. Hill, Y. C. Leung and P. J. Sadler, J Chem Soc Chem Comm, 1995, 1803-1804.
    14. J. S. Reddy and A. Sayari, J Chem Soc Chem Comm, 1995, 2231-2232.
    15. A. Corma, M. T. Navarro, J. Perezpariente and F. Sanchez, Zeolites and Related Microporous Materials: State of the Art 1994, 1994, 84, 69-75.
    16. M. Hartmann, A. Poppl and L. Kevan, J Phys Chem-Us, 1996, 100, 9906-9910.
    17. B. Chakraborty, A. C. Pulikottil and B. Viswanathan, Catal Lett, 1996, 39, 63-65.
    18. R. Neumann and A. M. Khenkin, Chem Commun, 1996, 2643-2644.
    19. A. Sayari, Chem Mater, 1996, 8, 1840-1852.
    20. N. Knezevic, Doctoral Thesis / Dissertation, 2009, 103.
    21. Y. Han, F. S. Xiao, S. Wu, Y. Y. Sun, X. J. Meng, D. S. Li, S. Lin, F. Deng and X. J. Ai, J Phys Chem B, 2001, 105, 7963-7966.
    22. Z. T. Zhang, Y. Han, L. Zhu, R. W. Wang, Y. Yu, S. L. Qiu, D. Y. Zhao and F. S. Xiao, Angew Chem Int Edit, 2001, 40, 1258-+.
    23. Y. Han, S. Wu, Y. Y. Sun, D. S. Li, F. S. Xiao, J. Liu and X. Z. Zhang, Chem Mater, 2002, 14, 1144-1148.
    24. A. Bhaumik and S. Inagaki, J Am Chem Soc, 2001, 123, 691-696.
    25. Z. T. Zhang, Y. Han, F. S. Xiao, S. L. Qiu, L. Zhu, R. W. Wang, Y. Yu, Z. Zhang, B. S. Zou, Y. Q. Wang, H. P. Sun, D. Y. Zhao and Y. Wei, J Am Chem Soc, 2001, 123, 5014-5021.
    26. R. Murugavel and H. W. Roesky, Angewandte Chemie-International Edition in English, 1997, 36, 477-479.
    27. A. Voigt, R. Murugavel, M. L. Montero, H. Wessel, F. Q. Liu, H. W. Roesky, I. Uson, T. Albers and E. Parisini, Angewandte Chemie-International Edition in English, 1997, 36, 1001-1003.
    28. R. A. Sheldon, M. Wallau, I. W. C. E. Arends and U. Schuchardt, Accounts Chem Res, 1998, 31, 485-493.
    29. J. C. van der Waal, P. J. Kooyman, J. C. Jansen and H. van Bekkum, Micropor Mesopor Mat, 1998, 25, 43-57.
    30. C. B. Dartt, C. B. Khouw, H. X. Li and M. E. Davis, Abstr Pap Am Chem S, 1993, 206, 57-Petr.
    31. M. G. Clerici, G. Bellussi and U. Romano, J Catal, 1991, 129, 159-167.
    32. R. Mokaya, W. Jones, Z. H. Luan, M. D. Alba and J. Klinowski, Catal Lett, 1996, 37, 113-120.
    33. M. D. Alba, Z. H. Luan and J. Klinowski, J Phys Chem-Us, 1996, 100, 2178-2182.
    34. A. Corma, V. Fornes, M. T. Navarro and J. Perezpariente, J Catal, 1994, 148, 569-574.
    35. B. L. Newalkar, J. Olanrewaju and S. Komarneni, Chem Mater, 2001, 13, 552-557.
    36. D. R. Rolison, Science, 2003, 299, 1698-1701.
    37. F. A. C. Garcia, J. C. M. Silva, J. L. de Macedo, J. A. Dias, S. C. L. Dias and G. N. R. Filho, Micropor Mesopor Mat, 2008, 113, 562-574.
    38. M. Plabst, L. B. McCusker and T. Bein, J Am Chem Soc, 2009, 131, 18112-18118.
    39. M. Haruta, N. Yamada, T. Kobayashi and S. Iijima, J Catal, 1989, 115, 301-309.
    40. R. Nares, J. Ramirez, A. Gutierrez-Alejandre, C. Louis and T. Klimova, J Phys Chem B, 2002, 106, 13287-13293.
    41. Y. Chi, T. Y. Chou, Y. J. Wang, S. F. Huang, A. J. Carty, L. Scoles, K. A. Udachin, S. M. Peng and G. H. Lee, Organometallics, 2004, 23, 95-103.
    42. H. P. Beohm, Adv. Catal., 1966, 16, 226.
    43. R. K. Iler, The Chemistry of Silica John Wiley, New York, 1979.
    44. H. P. Lin and C. Y. Mou, Accounts Chem Res, 2002, 35, 927-935.
    45. V. Alfredsson and M. W. Anderson, Chem Mater, 1996, 8, 1141-1146.
    46. C. J. Brinker and G. W. Scherer, J Non-Cryst Solids, 1985, 70, 301-322.
    47. 中國地質大學-精品課程網, 第二十一章第四節.
    48. E. P. Giannelis, R. Krishnamoorti and E. Manias, Adv Polym Sci, 1999, 138, 107-147.
    49. Soil and Environmental Biogeochemistry @ Stanford University, Soil Chemistry, Mineral-Summary.
    50. 勞工安全衛生研究所, 物質安全資料表.
    51. 行政院環境保護署, 飲用水水質項目對人體健康的影響.
    52. 行政院環境保護署, 放流水標準.
    53. Chemical Book, CAS數據庫列表.
    54. 教育部學習加油站, 高中化學教材資源中心, 化學與環保, 臭氧專題.
    55. S. Brunaller, P. H. Emmett and E. Teller, J Am Chem Soc, 1938, 60, 390.
    56. E. P. Barrett, L. G. Joyner and P. P. Halenda, J Am Chem Soc, 1951, 73, 373.
    57. P. J. M. Carrott, A. I. Mcleod and K. S. W. Sing, Studies in Surface Science and Catalysis, 1982, 10, 403-410.
    58. W. D. Harkins and G. Jura, J Am Chem Soc, 1944, 66, 1366-1373.
    59. W. T. Thomson, Phil Mag Lett, 1871, 42, 448.
    60. G. Ertl, H. Knözinger, F. Schüth and J. E. Weitkamp, Vol 2, 2nd, WILRY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim, 2008.
    61. JCPDS No. 30-0443.
    62. JCPDS No. 21-0871.
    63. U. Kalapathy, A. Proctor and J. Shultz, Bioresource Technol, 2000, 72, 99-106.
    64. R. Z. Ma, Z. P. Liu, K. Takada, K. Fukuda, Y. Ebina, Y. Bando and T. Sasaki, Inorg Chem, 2006, 45, 3964-3969.
    65. JCPDS No. 42-1467.
    66. JCPDS No. 14-0117.
    67. JCPDS No. 49-1859.
    68. JCPDS No. 47-1049.
    69. M. Patel, A. Karera and P. Prasanna, J Mater Sci, 1987, 22, 2457-2464.
    70. O. V. Nagornyi, A. S. Kolyshkin and V. V. Vol'khin, Russ J Appl Chem+, 2004, 77, 1097-1099.
    71. Nadim R. K., Patrick V. B. and J. L. K., SANDIA NATIONAL LABORATORIESALBUQUERQUE, NEW MEXICOUNITED STATES OF AMERICA, 2009.
    72. M. Sadiq, T. H. Zaidi and A. A. Mian, Water, Air, Soil Pollut., 1983, 20, 369-377.
    73. Water Resource Quality - Arsenic Removal Technologies, Eawag Aquatic Research.
    74. Y. Masue, R. H. Loeppert and T. A. Kramer, Environ Sci Technol, 2007, 41, 837-842.
    75. M. H. K. Nogi, M. Naito and T. Yokoyama, Nanoparticle Technology Handbook, 35.
    76. A. L. Yakovlev, G. M. Zhidomirov and R. A. van Santen, Catal Lett, 2001, 75, 45-48.
    77. L. Yan, T. Ren, X. L. Wang, D. Ji and J. S. Suo, Appl Catal B-Environ, 2003, 45, 85-90.

    下載圖示 校內：2015-07-19公開
    校外：2015-07-19公開
    QR CODE