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1、催化剂制备题目：三氧化铝的制备与表征班级：学号：姓名：指导教师：2010 年 12 月沈阳理工大学设计专用纸目录1 前 言 11.1 氧化铝的性质 11.2 氧化铝的用途 11.3 氧化铝的一些研究 错误！未定义书签。2 实验部分 42.1 实验原理 42.2 实验仪器与药品 62.3 实验的方案 62.4 实验方法 62.4.1 y- Al O 的制备6232.4.2 指示剂法测定表面固体酸的分布 73 实验结果与讨论 83.1 氧化铝的产率83.2 表面酸强度的影响因素93.3 计算催化剂的酸度11参考文献 201 前 言1.1 氧化铝的性质氧化铝化学式A12O3,分子量101.96。矶土
2、的主要成分。白色粉末。流动性 好，不溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中。具有不同晶型，它的四种同素异构体 卩一氧化铝，8氧化铝，v氧化铝，a氧化铝，主要有a型和y型两种 变体,工业上可从铝土矿中提取。名称 ：氧化铝；刚玉; 白玉; 红宝石; 蓝宝 石；刚玉粉。常见的是a-Al2O3和Y-A12O3。自然界中的刚玉为a-A12O3，六方 紧密堆积晶体，a-Al2O3的熔点201515C，密度3.965g/cm3，硬度8.8，不溶 于水、酸或碱。Y-AlO属立方紧密堆积晶体，不溶于水，但能溶于酸和碱，是23典型的两性氧化物。A12O3+6H+=2A13 + +3H2OAl2O3+2OH-=2AlO2-
3、+H2O1.2 氧化铝的用途氧化铝化学式A12O3,分子量101.96,矶土的主要成分。氧化铝是白色晶状 粉末，已经证实氧化铝有a、卩、丫、8、小k和x等一种晶体。不同的制备 方法及工艺条件可获得不同晶体结构的氧化铝，不同的晶体结构的氧化铝具有不 同性质和用途3。（1）耐火材料供耐火材料用的氧化铝原料，约占铝土矿、矶土页岩等天然产品的一半以上。 其余为电融氧化铝、烧结氧化铝、合成莫来石、氧化铝水泥等合成产品，近几年 其需要量略有增长趋势。在此领域也出现了合成尖晶石，并有出售。电融氧化铝是将氧化铝原料用电弧炉熔融后冷却凝固，再粉碎成适当粒级的 产品。由于其难以烧结，于高温下很少变形，适于做过苛条
4、件下使用的高铝耐火 砖及不定形耐火材料的骨料。烧结氧化铝是将氧化铝原料成形为粒料，高温烧结粉碎而成。其用途与电融 氧化铝大致相同。氧化铝水泥是由氧化铝原料和生石灰制成，是以铝酸钙类和刚玉为主要成分 的水硬性耐火材料，用做成形耐火材料的原料，能满足稳定性的要求。（2）研磨材料磨料电融氧化铝的另一用途是作研磨材料即磨料。研磨材料大致可分氧化铝质和 碳化硅质两种。氧化铝质中的白色氧化铝质研磨材料即为电融氧化铝。电融氧化 铝也可作为加工粉末的磨料。（3）绝缘瓷瓶 随着输电量的增大，日益要求高强度高质量的绝缘瓷瓶。为防止破损时裂缝 延长和改进耐电弧性能，研制了含有氧化铝的瓷器，从而彻底改变了产品质量。
5、供此类产品的氧化铝性能是稳定的。（4）氧化铝陶瓷 氧化铝最广阔的前景是用于生产氧化铝陶瓷方面。由于氧化铝具备良好的电 绝缘性、导热性、机械强度、耐磨性、化学稳定性及耐热性等特点，能满足各种 功能的要求而广泛用于生产电子材料、机械零件、光学材料、耐热材料、人工宝 石等。汽车的火花塞是利用了氧化铝的耐热性、绝缘性及耐蚀性的特点。用于火花 塞的绝缘材料，曾用过长石陶瓷、云母、冻石、莫来石直至发展为用氧化铝陶瓷。 公认氧化铝陶瓷最佳。高纯氧化铝通过适当条件烧结，晶粒间较致密，可用于生产粒间杂质散射较 少的透光陶瓷。透光陶瓷多用做高压钠灯等，也用于生产合成蓝宝石、红宝石等 人工宝石4。（5）纳米氧化铝尺
6、寸在1100个纳米之间的氧化铝粉末称之为纳米氧化铝，纳米化铝具有 优良的物化性质和使用性能。在陶瓷方面的应用 用纳米氧化铝粉体制成的精密陶瓷具有类似金属的塑性和韧性，在常规陶瓷 基体中加入少量的微米或纳米级 Al2O3 可以使材料的力学性能得到成倍提高， 改善陶瓷的韧性，降低其烧结温度。0 在复合镀层中的应用LA12O3熔点高达2015，是耐火材料中化学性质最稳定、机械强度最强 的一种氧化物。为了进一步提高刷镀层的耐磨性，在镍基镀层中加入纳米a- Al2O3 粉末，结果表明复合镀层的硬度要比单纯致密镍镀层的硬度高5。03 作为复合材料和医学新材料纳米A12O3可作为弥散强化和添加剂之用，如铸铁
7、研具铸造时以纳米A12O3 粉体作为变质形核，耐磨性可提高数倍以上。纳米氧化铝作为医学新材料，已用 于制作承力的人工骨、关节修复体、牙根种植体、折骨夹板与内固定器件、药物 缓释载体等6。作为半导体材料和电子工程材料纳米 Al2O3 粉体的比表面很大，对外界环境湿度十分敏感，因此可以作为 湿敏及气敏传感器。纳米 Al2O3 由于粒度极细，对光的反射率很低（约为 1）， 而且对光和电磁波的吸收很强，所以能满足微电子元件的要求，在隐形飞机上亦 得到应用7-8。作为催化剂及其载体纳米级 Al2O3 粉体其比表面很大，因而颗粒表面有丰富的失配键和欠氧键， 压成薄片时内含丰富的孔洞，可以制成表面活性很高的
8、多孔薄膜，以此制成的催 化剂及催化剂载体的性能比目前使用的同类产品性能优越数倍以上9-10。2 实验部分2.1 实验原理(1)活性氧化铝一般由氢氧化铝加热脱水制得。氢氧化铝也称为水合氧化铝，其化学组成为AlOnH0,通常按所含结晶水数目不同，可分为三水氧化铝2 3 2和一水氧化铝。氢氧化铝加热脱水后，可以得至w -AlO，即通常所讲的活性氧23化铝。由于所使用的原料不同，氢氧化铝有多种制备方法。本实验采用 AlCl 和3NHOH为原料，发生沉淀反应生成Y - AlOOH为主的氧化铝水合物，再经过滤、 干燥、焙烧，得活性氧化铝，其化学反应方程式为：A1C13+3NH4OH f A1OOHJ+3
9、NH4Cl+H2O2A1OOH f AO3+ H2O (焙烧)值得注意的是，在上述反应过程中，不同的加料速度、温度及 pH 值，会产 生不同性质的产物。所以要获得Y - Al O，必须严格控制反应条件。23(2)固体酸的类型可以通过吡啶吸附的红外光谱来测定。酸强度和酸浓度 可以通过 Hammett 指示剂法来测定，但该方法所测定的是 B 酸和 L 酸的总结果。以 B 代表碱性的 Hammett 指示剂，当它吸附在催化剂的表面上时，与表面上的H+发生相互作用生成相应的共轭酸BH+：B + H+ = BH+(2.1)碱型 酸型则共轭酸的解离平衡常数为：K 二(a a )/a二(c f a )/(c
10、 f )(2.2)aB H +BH +B B H +BH + BH +式中：a为催化剂表面吸附层上的活度；c为表面吸附层上的浓度；f为表面吸 附层上的活度系数。指示剂与催化剂表面作用后显什么颜色取决于 c / c ，由上式：BH+Bc / c 二(fa )/(K f )(2.3)BH + BB H +a BH +所以 c / c 是由 K 、 a 、 f 和 f 所决定的。对于给定的指示剂，由于 K 是BH+Ba H+ B BH+a常数，故 c / c 由 f a / f 来决定。为此，我们定义：2.4)BH+BB H+BH+一lg( fBaH + /fBH +)Hammett定义H0为酸性强
11、度函数，用它来定量表示酸强度。由上式可见，Ho 越小，则f a / f越大，c /c也越大，也就是催化剂表面酸给出质子使BB H+BH+BH+B转化为BH+的能力越大。H的范围可以根据指示剂的颜色变化来求取。100%的0硫酸的 H 为-11.9。因此 H 为-12 或更小的酸为超强酸。00将解离平衡常数取负对数，则有cpK 二 lg bh + + H(2.5)a c 0B当cBH+ = cB时(指示剂及其共轭酸的浓度各占一半)，有H0 = pKa( 2.6)所以当催化剂表面酸与指示剂作用，使呈酸型和碱型各一半的混合色时，即 可用指示剂的pKa值作为衡量表面酸强度H的尺子。若某pK已知的Hamm
12、ett指 0a 示剂吸附在催化剂表面上呈酸型色，则此催化剂的酸强度 H 应小于该指示剂的0pKa值，例如能使二肉桂丙酮(pKa = -3.0)变红而不能使苯亚甲基苯乙酮(pKa =-5.6)变黄的催化剂，其酸强度H必在-3.0 -5.6之间。实验常用Hammett 0指示剂列于表 1 中。表 1 常用 Hammett 指示剂指示剂碱型色酸型色pKa中性红黄红+6.8溴甲酚紫紫黄+6.1对乙氧基橘红黄红+5.0甲基红黄红+4.8苯偶氮萘胺黄红+4.0溴酚蓝蓝黄+3.86氨基偶氮二甲苯黄红+3.5二甲基黄黄红+3.32-氨基-5 -偶氮苯黄红+2.0苯偶氮二苯胺黄紫+1.54-二甲基偶氮-1-萘黄
13、紫+1.2结晶紫蓝黄+0.8对硝基偶氮二苯胺橙紫+0.43对硝基二苯胺红橙-2.1二肉桂丙酮黄红-3.0苯亚甲基苯乙酮无色黄-5.6蔥醌无色黄-8.2将固体粉末样品悬浮于非水惰性液体中，借助于指示剂用碱进行滴定。滴定所用的碱必须是比指示剂更强的碱，通常采用pKa值约为+10的正丁胺。加入的 碱首先吸附在最强的酸性位上，并且最终从固体上取代指示剂分子。本实验用标 准正丁胺-环己烷溶液滴定固体酸，从而求出酸量。当某指示剂（pKa = a）吸附 在固体酸上变成酸型色时，使指示剂恢复到碱型色所需的正丁胺的滴定度，即为 固体酸表面上酸中心数目的度量。用这种方法测定的酸量，实际上是具有H0 a 酸强度的那
14、些酸中心的量。若以不同pKa值的指示剂，用标准正丁胺-环己烷溶 液滴定，就可以得到不同酸强度范围下的酸量，就将得到各 H 下的酸量即酸分 0布。2.2 实验仪器与药品马弗炉、电热恒温干燥箱、水浴锅、电动搅拌器、布氏漏斗、水泵。三氯化 铝，氨水，碳酸氢铵，试管（干燥无水，加入指示剂后封闭管口，正丁胺-环己 烷溶液（0.1 mol/L）,指示剂的环己烷溶液（指示剂质量分数0.1 %）。2.3 实验的方案温度/c加料速度 ml/min焙烧温度/c搅拌速度、焙 烧时间等方案一853500保持不变903500保持不变803500保持不变方案二853450保持不变855450保持不变852450保持不变方案三855500保持不变855550保持不变855450保持不变2.4 实验方法以方案一的第一组实验为例具体为下：2.4.1 Y- AI0 的制备23将三口烧瓶固定在水浴锅中，并安装好电动搅拌器。用两个分液漏斗作为加料器，分别固定在铁架台上。在烧瓶的两个边口上，塞上带有玻璃短管的橡皮塞，再用乳胶管将两个分液 漏斗的出口分别与烧瓶的这两个边口相连。称取 6.5g AlCl 放至烧杯中，用 150mL 蒸馏水溶解，倒入烧杯中，作为稳 3定 pH 值的
