催化剂制备
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2010年12月
目 录
1 前 言 1
1.1 氧化铝的性质 1
1.2 氧化铝的用途 1
1.3 氧化铝的一些研究 3
2 实验部分 7
2.1 实验原理 7
2.2 实验仪器与药品 9
2.3 实验的方案 9
2.4 实验方法 9
2.4.1 γ- Al2O3的制备 9
3 实验结果与讨论 11
3.1 氧化铝的产率 11
3.2 表面酸强度的影响因素 12
3.3 计算催化剂的酸度 14
参考文献 23
1 前 言
1.1 氧化铝的性质墙壁之间
氧化铝化学式Al2O3，分子量101.96。矾土的主要成分。白粉末。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β－氧化铝 ，δ－ 氧化铝， v－氧化铝 ，a－氧化铝 ，主要有α型和γ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α-Al2O3和γ-Al2O3。自然界中的刚玉为α-Al2O3，六方紧密堆积晶体，α-Al2O3的熔点2015±15℃，密度3.965g/cm3，硬度8.8，不溶于水、酸或碱。属立方紧密堆积晶体，不溶于水，但能溶于酸和碱，是典型的两性氧化物。
Al2O3+6H+=2Al3+3H2O
Al2O3+2OH-=2AlO2+H2O
1.2 氧化铝的用途
氧化铝化学式Al2O3，分子量101.96，矾土的主要成分。氧化铝是白晶状粉末，已经证实氧化铝有α、β、γ、δ、η、θ、κ和χ等十一种晶体。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、矾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。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
尺寸在1～100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。
在复合镀层中的应用
α－Al2O3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α－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]。
作为复合材料和医学新材料
纳米Al2O3可作为弥散强化和添加剂之用，如铸铁研具铸造时以纳米Al2O3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]。
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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Al2O3•nH2O，通常按所含结晶水数目不同，可分为三水氧化铝和一水氧化铝。氢氧化铝加热脱水后，可以得到γ- Al2O3，即通常所讲的活性氧化铝。
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AlCl3和NH4OH为原料，发生沉淀反应生成γ- 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：
AlCl3+3NH4OH → AlOOH↓+3 NH4Cl+H2O
2AlOOH → Al2O3+ 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γ- Al2O3，必须严格控制反应条件。
净化水机（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：
（2.2）
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。
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指示剂与催化剂表面作用后显什么颜取决于cBH+ / cB，由上式：
（2.3）
所以cBH+ / cB是由Ka、aH+、fB和fBH+所决定的。对于给定的指示剂，由于Ka是一常数，故cBH+ / cB由fB aH+ / fBH+来决定。为此，我们定义：
（csilv2.4）
Hammett定义H0为酸性强度函数，用它来定量表示酸强度。由上式可见，H0越小，则fB aH+ / fBH+越大，cBH+ / cB也越大，也就是催化剂表面酸给出质子使B转化为BH+的能力越大。H0的范围可以根据指示剂的颜变化来求取。100％的硫酸的H0为-11.9。因此H0为-12或更小的酸为超强酸。
将解离平衡常数取负对数，则有
（2.5）
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时，即可用指示剂的pKa值作为衡量表面酸强度H0的尺子。若某pKa已知的Hammett指示剂吸附在催化剂表面上呈酸型，则此催化剂的酸强度H0应小于该指示剂的pKa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H0必在-3.0 ~ -5.6之间。实验常用Hammett指示剂列于表1中。
表1 常用Hammett指示剂
指示剂 | 碱型 | 酸型 | 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 | +3.3 |
2-氨基-5-偶氮苯 | 黄 | 红 | +2.0 |
苯偶氮二苯胺 | 黄 | 紫 | +1.5 |
4-二甲基偶氮-1-萘 | 黄 | 紫 | +1.2 |
结晶紫 u盘制造 | 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 | 黄 | -5.6 |
蒽醌 | 无 | 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 = α）吸附在固体酸上变成酸型时，使指示剂恢复到碱型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 ≤ α酸强度的那些酸中心的量。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H0下的酸量即酸分布。
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