铁氧化物的光催化讲解.
温州大学瓯江学院本科毕业论文
本科毕业设计（论文）
( 2014届)
题目：铁氧化物光催化降解有机污染物
专业：应用化学
班级：11级
姓名：莫文杰
学号：11205023110
指导教师：胡晓波
职称：讲师
完成日期：2015年3月20日
铁氧化物光催化降解有机污染物
Iron oxide photocatalytic degradation of organic pollutants
指导老师：胡晓波
作者：莫文杰学号：11205023110
摘要：在当今社会，环境治理可以说是一个不可避免的社会问题，随着人类文明的高度发展，在社会取的长足进步的同时，也遗留了一些问题，其中一个就是环境问题，它几乎是与人类文明发展共存的不可忽视的一大问题。
工业带给人们无论是生活还有物质上都十分长远的进步，但是其中的问题也是非常的严重，特别是一些欠发达或者发展中国家，工业不仅仅带来了文明的进步，更是带来了环境的破坏，甚至有些破坏时不可逆的，所以环境污染是人类发展过程中必须要克服的难题。
环境污染其中一项与人类生活息息相关的就是水体污染，特别是水体有机物污染，它已经日益蚕食人类赖以生存的水资源。而我国水资源分布及其不均匀，虽总量大但人均不足世界平均水平，所以我国是一个水资源相对匮乏的国家。特别是在“九五”之后，随着我国向工业化的进一步迈进，工业污染物的排放，人民生活废物的排放使得我国主要水源都存在着不同程度的水资源污染，同时水体有机物污染程度也随之加深。
如何去治理水体有机物污染成为了一个社会性的话题，人们在长期的探索和实验的过程中，试图去寻找一些无论从可试用性到可持久性的物质来降解有机污染物，其中铁氧化物是一种选择，在有机污染物的降解中，它有着一些先天的优势，廉价易得加上不错的降解能力，使它成为了一种有着可取性的有机污染物降解质。在此背景下，本文将以铁氧化物为核心，甲基橙位模拟水体有机污染物，进一步
论证铁氧化物在有机污染物光催化降解过程中的可行性，以及铁氧化物的降解能力的不同的影响因素，来确定铁氧化物对有机污染物的降解效能
关键词：环境治理环境污染水体污染有机污染降解铁氧化物甲基橙光催化降解
Abstract:
In today's society, the environment management is an inevitable social problem, with the highly development of human civilization, in the long-term development of the society to take at the same time, also left some problems, one is the environment problem, it is almost coexist with human civilization development of a major problem.
Industry brings people both in life and the progress of material is very long, but the problem is very serious, especially in some less developed or developing countries, the industry not only brings about the progress of civilization, but also brought the destruction of the environment, and even some irreversible damage, the pollution of the environment is so must overcome problems in the process of human development.
Environmental pollution is one of them is closely related to human life water pollution, especially water organic pollution, it has increasingly encroach on water resources to the survival of humans. And uneven
distribution of water resources and its in our country, although the total big but less than the world average per capita, so China is a country with a relative lack of water resources. Especially after the 1993, along with our country to further towards industrialization, industrial emissions of pollutants, people's living waste emissions makes the main water source in our country there are varying degrees of water pollution, water pollution degree of organic matter also deepen.
How to control water organic pollution has become a social topic, people in the long-term exploration and experiments in the process of trying to find some no matter from the trial to the sustainability of the material to the degradation of organic pollutants, including iron oxide is a kind of choice, in the degradation of organic pollutants, it has some inherent advantages, tap cheaply with good degradation ability, make it become a kind of has the admissibility of the degradation of organic pollutants.
In this background, this paper will with iron oxide as the core, the methyl orange simulated water organic pollutants, further demonstrate iron oxide in the feasibility in the process of photocatalytic degradation of organic pollutant, and between different iron oxide degradation ability is different, to determine the effectiveness of the iron oxide on the degradation of organic pollutants.
Keyword：environment management ，environment problem ，water organic pollution ，degradation ，iron oxide ，methyl orange ，photocatalytic
degradation.
1.前言
1.1国内外水体有机污染现状
70年代Simmon偶然发现自来水中存在着致突变性有机污染物以来，在自来水中及其水源水中先后发现了多种遗传毒性物质。美国EPA水质调查小组成员发现供水系统中有机污染物多达2110种，饮用水中含有765种。自1994年以来，美国在饮用水中发现了至少100种合成有机物，如多环芳烃多氯联苯、等，具有“三致”的作用。1999年，美加五大湖[5]是北美乃至全世界最重要的湖泊群之一，其中首要存在的污染物就是包括有机物在内的毒性物质，由于有些有毒污染物的高残留性，近些年来，五大湖大部分鱼类体中仍能检测出1970年以来已禁止使用的有毒污染物，如多氯联苯、二恶英、狄氏剂、滴滴涕。亚洲湖泊普遍都存在的问题就是除氮磷以外的有机污染问题。
我国的环境中有机污染是非常严重的，种类多、数量大，严重危及人体健康的有机物达二、三百种。不同水源的水和自来水中的水有机污染物种类和数量相当大，污染的问题也是相当突出。水源水中的污染物主要来自有机物污染，南京水源水中发现有毒有机污染物，阳性水样中存在着多种美国EPA所列举出的129种优先水体污染物，以及其它的黑名单上的有毒有害物质，水源水质早已受到污染。2000年全国环境状况调查公布，地表水流经过城市的河段有机污染较重。城市居民日常生活排放的生活污水和很多工厂的工业废水都含有大量的溶解状有机污染物质，有些工业废水还含有有毒有害的人工合成的有机物污染物，例如合成农药和染料等。在长江三角洲大部分的地区，大多数的城市河流都存在着严重
的有机污染。如上海黄浦江有机物种类至少在500~700种之间，GC/MS定性检出的218种有机物中，属美国EPA的优先污染物达39种之多。
跟据对全国35个江段合成有机物调查中，水体中的痕量有机物种类繁多，“三致”物超标倍达数高。自70年代中至80年代初，检出第二松花江有致癌作用的有机物达26种，其中属美国EPA优先控制的有机污染物有14种。据1998年的报道，在第二松花江沉积物中检出难降解的有机物最多达60种，还发现了多种烷烃类有机化合物，这类有机化合物也会对生物体造成严重的危害。在7个流域的14个典型江段中共检出了197种有机化合物，其中致癌化合物有25种，属于美国EPA的优先污染物有53种。
由此可见，从全世界角度来考虑，水体有机污染已经是呈现非常严重的态势，治理水体有机污染刻不容缓。如何低成本且有效的治理水体有机污染成为了要探索的问题，本文就是基于这一点，在已知可能性的前提下，进一步验证铁氧化物光催化降解有机污染物的可行性及其降解效率的影响因素。
1.2现阶段水环境污染处理技术
自发现水体污染以来,人们就在不断寻找和研究经济并且有效的环保技术和新方法。对水体环境污染物来说,目前工业上普遍采用的方法有高温吸附、絮凝、气吹、焚烧等方法处理有毒污染物,此类方法具有设备要求简单、操作简便、工艺简洁等诸多优点。但是,这类设备处理方法通常是将有机化合物从液相转移到固相(如活性炭吸附)或者气相(如气吹),而且没有完全消除有机污染物,在处理效率、去除效果、二次污染等方面存在一些缺点。
自八十年代以来,人们又开发了一些新式的处理水中有机污染物的方法，如辅照法、超声降解法、超临界水氧化法、脉冲电晕技术,特别是与光催化化学有关的新方法不断出现，其中就包括紫外光解（UV）、UU/H2O2、UV/O3、UV/H2O2/ Fe2+或者Fe3+以及半导体光催化。在这些过程中能产生氧化能力很强的氢氧自由基团,从而使有机物能够有效降解。有机物污染物在吸收紫外光或可见光以后,会发生裂解、聚合、分解等复杂反应而直接进行光降解，并且降解过程的效率与有机物的吸收光子能力、量子的产率、溶解氧气的浓度等因素有关。如果在体系中加入03、Fe2+、H202、Fe3+和TiO2等氧化剂或催化剂,则光降解效率得到显著地提高。
对于降解有毒有机废水如焦化、染料、农药工业废水,一般可以通过组合传统工艺而进行适当地处理,但是由于技术和经济的原因,还没有形成完整而有效的治理对策。目前,应用各种氧化技术在较短的时间内把难降解有毒有机污染物处理至完全无害化、不产生二次污染,己成为主要研究目标之一。近年来较快地发展了以产生氧化性自由基为主的高级氧化技术,利用产生的高活性自由基进攻大分子有机物并与之反应,从而将有机物分子结构破坏直至氧化分解为小分子如CO2、水和无机盐,达到高效处理有毒有机污染物的目的。根据产生氧化剂的方式和反应条件的不同,可将目前经常使用的氧化技术分为湿式空气氧化法、光化学氧化法、声化学氧化法及光催化氧化法。
1.2.1湿式空气氧化法和湿式催化氧化法
湿式空气氧化法(简称湿式氧化法)是在高温(150-350℃)、高压(0.5-20MPa) 操作条件下通入空气或02,使沸水中的有机污染物直接氧化分解。此种方法主要用于工业有机含酚废水,在150-180℃,氧气分压为0.3-1.5MPa条件下,去除率TOC 达到90%,几乎可以完全破坏酚类分子结构。目前,国际上应用湿式氧化法处理焦
化、印染等工业废水,且配合使用催化剂以降低对温度和压力要求的氧化技术近年来更是受到广泛的重视。
1.2.2超临界水氧化及超临界催化氧化
超临界水氧化法实质上是湿式氧化法的强化和改进。超临界水氧化法亦是以水为液相主体,以空气中的氧为氧化剂,在高温高压下反应。与湿式氧化法相比,它利用水在超临界状态下其相态发生较大变化,介电常数减少至近似于有机物与气体,从而使气体、有机物完全溶于废水中,气液相界面消失,形成均相氧化体系,将技术进行改进和提高。超临界水氧化法优点是反应迅速,氧化程度彻底而受到人们关注。缺点是需要高温高压,对反应器材设备要求高,功耗大,因而其应用和推广受到一定程度限制。
1.2.3声化学氧化法
声化学氧化法处理废水是利用超声空气效应所带来的高温高压几乎可以使任何有机污染物在此条件完全降解的方法。其处理有机污染物效率很高,但处理装置复杂,处理过程中使废水温度升高,使超声装置冷却系统复杂化,提高了废水处理成本。目前该项技术主要处于实验室理论研究阶段。
1.2.4光催化氧化
光催化氧化法是在紫外光或者可见光作用下进行的反应过程,自然环境中的紫外光极易被有机污染物吸收,在有活性物质存在时发生剧烈的光化学反应,从而将有机污染物降解。光催化氧化法由于其反应条件温和(常温常压)、氧化能力强等优点在近二十年来发展迅速,具有广泛的应用前景。光催化氧化法分为直接光降
解和间接光降解。目前,应用较多的是以催化剂为特征的间接光降解。1972年日本科学家Fujishima和Honda首次发现在近紫外光(380nm波长的光)的作用下,金红石型TiO2单晶电极能使水在常温常压下发生分解反应,在世界范围内曾一度掀起光解水制氢的研究热潮。Carcy等成功地将TiO2用于光催化降解水中有机污染物,半导体光催化迅速受到各国环境和能源研究者的普遍关注。TiO2等催化剂的间接光降解作用是将催化剂作为光的吸收剂产生电子一空穴对,诱发产生活性基团。
研究发现,在TIO2催化剂存在下,即使是可见光(λ>470nm)也能使荧光素、罗丹明B、酸性红、曙红、孔雀绿等有机染料发生降解,生成小分子化合物、CO2及相应的无机物小分子。当前环境问题和能源危机成为制约人类发展的两大瓶颈。光催化技术有望成为解决环境和能源问题的有效方法。由于Ti02的可见光利用率低,且处理后的TiO2不易于分离,这给光催化剂重复利用带来很大困难。为此，人们又对一些常见的金属氧化物催化剂进行了研究，发现除了TiO2外，塔塔金属氧化物在能量小于或等于半导体禁带宽度的光激发下,均能与表面周围的无机物或有机物发生氧化还原反应。其中就包括铁氧化物。铁是自然界中广泛存在的无毒多价态过渡金属元素之一,地表中存在大量多种形态的结晶态或无定型铁(氢)氧化物，研究表明一些铁氧化物甚至无光照的条件下如污染地下水中也能进行一定程度的催化作用。此外铁是地球上有机界和无机界重要而普遍存在的丰富元素,其氧化物是土壤和水体中最常见矿物,具有很好的环境相容性,从根本上减少或消灭那些对人类健康或环境有害的污染物。铁离子及其氧化物能参与均相、异相甚至微生物催化作用。因此,从环境矿物学角度,对环境中的铁氧化物矿物的光催化氧化反应,特别是土壤和天然水体中纳米铁矿物表面与环境中有机配体络合作用后对
有害有机物的光解反应开展深入研究,探讨自然环境中铁氧化物的光催化反应降解有机物的影响因素、机理和应用意义明显。
1.3铁氧化物光催化降解有毒有机污染物的发展
自然环境中矿物光催化的Fenton-Like反应研究是一个新兴的多学科交叉的研究方向,至今在地球化学和环境矿物学领域对此研究报道还很少提及。由于在天然水相和土壤中光化学反应所受的影响因素较多,对其催化作用机理和应用尚待进行全面的研究。铁氧化类矿物在水环境中与草酸、柠檬酸、腐殖酸、富里酸等有机配体的相互作用,以及与微生物代谢所产生的有机质如多糖、蛋白质、氨基酸多糖、等的固相表面作用,这些都可能会使自然环境中的(氢)氧化铁矿物的光催化氧化还原反应变得更加复杂。目前开展的这些模拟研究体系均较简单化,今后需要从以下方面开展研究:
1.模拟自然体系中铁氧化物存在环境,研究高活性和高稳定性铁氧化物光催化剂的制备方法和制备技术,有机配体与铁矿物表面的作用,对铁矿物进行表面化学修饰和复合,开发新型高效的“阳光解毒”材料。催化剂是光催化技术的核心,也是开展光催化方面研究的前提。另外研究开发稳定性好的光催化剂,可以建立催化剂重复使用的新的光催化体系,有关此领域的研究目前报道较少。
2.模拟土壤和水体复杂体系(含多种无机盐和天然有机质)中氧化铁矿物对不同种类有机污染物的降解机制和动力学条件,发展针铁矿等矿物的原位环境修复技术。
3.地表环境的矿物催化过程对某些重要元素的地球化学行为造成影响。考虑地质
环境(水体、土壤、大气)中太阳能的光化学作用,使环境矿物学和环境地球化学的研究内容更为丰富和全面。进一步把矿物、有机质、微生物、太阳能当作一个有机的环境系统,根据光化学理论研究地球环境中污染物的铁的(氢)氧化物矿物原位阳光光解和生物降解作用,不仅对于深入理解天然水相中微生物、有机质、矿物交互作用、铁矿物的环境化学行为具有理论意义,并且对于开发新型高效阳光催化水处理材料有着指导意义和应用前景。综合以上讨论,展望未来,光催化氧化技术作为一种高效、低能耗、洁净、无二次污染技术,其研究重点应是在高效、节能及经济等方面。一是通过催化剂的改性,大大提高其光催化剂的活性,提高反应速率,以及提高其太阳能利用率。二是制备新型高效能的光催化剂,使其具有比TIO2活化氧化剂更好的催化活性和更高的可见光利用率。此外,提高负载技术选择优良的催化剂载体、提高负载技术,可以使催化反应能重复进行,体现了高级氧化技术的绿色性。
2铁氧化物的制备和有机污染的选择
2.1铁氧化物的制备方法
1.需要的药品：水合氯化铁（FeCl3.6H2O）270.2962、尿素（CO(NH2)2）60.06、无水乙醇。
2.制备铁氧化物
（1）称取5.0000g六水氯化铁晶体，溶解在20ml水中，加入5ml浓度为百分之20的尿素溶液，然后将混合溶液加入到水热反应釜中，放入恒温加热室中加热6小时
（2）待反应结束后，取出水热反应釜，然后将溶液离心分离，去除上层清液，取
出沉淀，用无水洗涤并干燥，得到固体粉末状的铁氧化物样品，并用样品袋装好并密封贴上标签
（3）用同样的方法做20个样品改变变量，将尿素溶液换成浓度为百分之10的尿素溶液，实验过程与上诉过程保持一样，用同样的水热法做20个样品并用样品袋装好并密封贴上标签。
2.2有机污染物的选择和体系的制备
2.2.1有机污染物的选择
现实生活中有机污染种类繁多，不便于选择，实验室中选择的原则是廉价、易得、安全且具有代表性，所以本实验以甲基橙溶液来代替现实生活环境中被污染的水源及在实验室环境下假设水体的有机污染物为甲基橙。
2.2.2有机污染物体系的制备
在做铁氧化物光催化讲解有机污染物实验之前，首先要配置一定浓度的甲基橙溶液作为样品和空白对照。用天平称取0.50g甲基橙配置浓度为50mg/L的甲基橙溶液作为污染物样品和空白对照。
3实验部分
3.1实验所需仪器
样品的表征方法
仪器名称表征仪器型号
冷藏扫描电子显微镜形貌
X-射线衍射仪晶型、晶粒大小
比表面孔隙度分析仪比表面积
红外光谱仪组分分析
紫外光谱仪紫外可见漫反射特征
可见分光光度计V IS-7220 型
酸度计PHS-3B 型
离心机DL-5-H 型
3.2实验实施步奏
由于絮凝剂尿素的量有20%和10%两种浓度的，所以铁氧化物可以分为两个种类的样品，分别为铁氧化物（20%尿素）样品1和铁氧化物（10%尿素）样品2的，所以本实验实际上共有40组数据需要记录，每组数据加上样实验组和空白对照组共有两组，总共应该记录的数据为80组数据。
3.2.1具体的实验方法
（1）取两个50毫升的烧杯，分别加入事先配好的浓度为50mg/L的甲基橙溶液20ml，然后其中一个加入0.5g铁氧化物（20%的尿素），搅拌均匀，另外一个不放任何东西作为空白对照，黑暗环境静置一段时间，分别巨鹿初始吸光度然后一同放在紫外光谱仪下进行照射光解，照射时间约为1h，期间每十分钟记录一下溶液的吸光度，来判断铁氧化物的光催化讲解效果。用同样的方法进行接下来所以样品1的20个样品的测定。并记录下实验数据。
（2）同样的方法，取出两个烧杯，分别加入事先配好的浓度为50mg/L的甲基橙溶液20ml，然后其中一个加入0.5g铁氧化物样品2（10%的尿素），均匀搅拌，另外一个不放任何东西作为空白对照，黑暗环境下静置一段时间，然后分别记录下溶液的初始吸光度，然后放在同一台紫外光谱仪器下进行照射逛街，照射时间约为1h，期间每十分钟分别记录下两烧杯内溶液的吸光度，来判断铁氧化物的光催化降解效果。并用同样的方法测定样品2中其余样品，并记录下实验数据。3.2.2实眼数据的记录和整理
铁铁的氧化物和氢氧化物及其强化练习
铁 、铁的氧化物和氢氧化物 一、铁单质 1、组成：Fe 2、结构：晶体类型：金属晶体 化学键：金属键 3、物理性质：银白色，粉末呈黑色 4、化学性质：金属性、可燃性、还原性 （1）铁在氧气中燃烧：3Fe ＋2O 2 点燃 Fe 3O 4 （2）铁在氯气中燃烧：2Fe ＋3Cl 2 点燃 2FeCl 3 （3）铁与硫单质共热：Fe ＋S △ FeS （4）铁和水蒸气反应：3Fe ＋4H 2O 高温 Fe 3O 4＋4H 2 （5）铁和稀硫酸反应：Fe ＋H 2SO 4===FeSO 4＋H 2↑ （6）铁和浓硝酸共热：Fe ＋4HNO 3 △ 3)3＋3NO 2↑＋2H 2O （7）铁和浓硫酸共热：2Fe ＋6H 2SO 4 △ 2(SO 4)3＋3SO 2↑＋6H 2O （8）铁和过量稀硝酸反应：Fe ＋4HNO 3===Fe(NO 3)3＋NO↑＋2H 2O （9）过量的铁和稀硝酸反应：3Fe ＋8HNO 3===3Fe(NO 3)2＋2NO↑＋4H 2O （10）铁和硫酸铜溶液反应：Fe ＋CuSO 4===FeSO 4＋Cu （11）铁和硝酸银溶液反应：Fe ＋2AgNO 3===Fe(NO 3)2＋2Ag （12）铁和氯化铁溶液反应：Fe ＋2FeCl 3===3FeCl 2 5、制法：（13）高温下，氧化铁和一氧化碳反应：Fe 2O 3＋3CO 高温 2Fe ＋3CO 2 （14）高温下，氧化铁和铝粉反应：2Al ＋Fe 2O 3 高温 Al 2O 3＋2Fe 6、用途：作合金、作建筑材料 二、氧化亚铁 1、组成：化学式：FeO 菱铁矿 2、结构：电子式：Fe 2＋ [：O ：]2－ 化学键：离子键 3、物理性质：黑色固体 4、化学性质：碱性氧化物的性质、氧化性、还原性为主 （1）氧化亚铁和氧气加热：6FeO ＋O 2 △ 2Fe 3O 4 （2）氧化亚铁和铝粉在高温下反应：2Al ＋3FeO 高温 Al 2O 3＋3Fe （3）氧化亚铁在高温下被一氧化碳所还原：FeO ＋CO 高温 Fe ＋CO 2 （4）氧化亚铁与稀硫酸反应：FeO ＋H 2SO 4===FeSO 4＋H 2O ·· ··
金属氧化物催化剂
金属氧化物催化剂及其催化作用金属氧化物催化剂通常为复合氧化物（complex oxides),即多组分的氧化物。如V O -MoO , TiO -V 2O 5-P 2O 5,V 2O 5-MoO 3-Al 2O 3。组分中至少有一个组分是过渡金属氧化物。组分与组分之间可能相互作用，作用的情况因条件而异。复合氧化物系通常是多相共存，如MoO 3-Al 2O 3，就有α-、β-、复杂，有固溶体、有杂多酸、有混晶等。 就催化作用与功能来说，有的组分是主催化剂，有的组分为助催化剂或者是载体。
金属氧化物催化作用机制-1 z半导体的能带结构 z催化中重要的是非化学计量的半导体，有n型和p型两大类。非计量的化合物ZnO是典型的n型半导体（存在自由电子而产生导电行为）。NiO是典型的p型半导体，由于缺正离子造成非计量性，形成氧离子空穴，温度升高时，此空穴变成自由空穴，可在固体表面迁移，成为NiO导电的来源。 z Fermi能级E f是表征半导体性质的一个重要物理量，可以衡量固体中电子逸出的难易，它与电子的逸出功?直接相关。?是将一个电子从固体内部拉到外部变成自由电子所需的能量，此能量用以克服电子的平均位能，Fermi能级E 就是这种平均位能。 f z对于给定的晶格结构，Fermi能级E f的位置对于其催化活性具有重 O分解催化反应。 要意义。如N x z XPS研究固体催化剂中元素能级变化
金属氧化物催化作用机制-2 z氧化物表面的M=O键性质与催化活性的关联 z晶格氧（O=）的催化作用：对于金属氧化物催化剂表面发生氧化反应时，作为氧化剂的氧存在吸附氧与晶格氧两种形态。晶格氧由于氧化物结构产生。选择性氧化（Selective Oxidation)是固体氧化物催化剂应用主要方向之一。在选择性氧化中，存在典型的还原-氧化催化循环（Redox mechanism)）。这里晶格氧直接参与了选择性氧化反应。 z根据众多的复合氧化物催化氧化可以概括出：1 选择性氧化涉及有效的晶格氧；2 无选择性完全氧化反应，吸附氧和晶格氧都参加了反应；3 对于有两种不同阳离子参与的复合氧化物催化剂，一种阳离子M+承担对烃分子的活化与氧化功能，它们再氧化靠晶格氧O=；另一种金属氧化物阳离子处于还原态，承担接受气相氧。（双还原-氧化催化循环机理） （dual-redox) z举例：甲烷选择性氧化制备合成气、甲醇或甲醛 z CH4+O2→CO+2H2-136 kcal/mol z CH4+O2→CH3OH -22 kcal/mol z CH4+O2→HCHO+H2O -70 kcal/mol z CH4+O2→CO2+2H2O -189 kcal/mol
金属氧化物催化机理
?氨吸附／脱附法研究发现随着在MoO3 – P2O5体系中加入少量的Bi2O3后催化剂的酸性迅速增加，并达到极大值，然后随Bi2O3的量增加而下降 ?亲核氧化反应的第一步是有机分子的活化，然后进行氧离子的亲核加成作用 ?催化剂要活化烃类并使其进一步进行氧化反应，必须具备酸性和氧化还原两种催化功能，并且这两种功能又必须相互协同进行 ? ?不同氧化物上的实验结果表明：第V、Ⅵ、Ⅶ族过渡金属氧化与配位多面体形成不同类型的键合方式，并且在确定有机分子亲核插入机理中起着重要的作用
? 强亲电性的O 2-和O -物种进攻有机分子中电子密度最高的部分进行亲电加成形成过氧或环氧化合物，并且进一步发生断裂而使烃分子降解起始，烯烃形成饱和醛，而芳烃形成相应的酸酐 ? 在高温时，高反应性的饱和醛迅速发生全氧化 催化剂要活化烃类并使其进一步进行氧化反应，必须具备酸性和氧化还原两种催化功能，并且这两种功能又必须相互协同进行 ? 催化剂的酸碱性质变化对催化反应选择性的影响不是由于分子中官能团反应能力 改变而引起的，而仅是改变了吸附性质，即改变反应物或产物分子在催化剂表面上的停留时间 （1）丁烯氧化脱氢的工业催化剂 ① Bi – Mo 氧化物体系。在这类催化剂中，Mo 或Bi – Mo 氧化物是主要活性组分，碱金属、铁系元素、ⅤB 元素的氧化物主要起到提高活性、选择性和结构稳定性的作用，SiO2或 A12O3作为载体 ② 以Sb 或Sn 的氧化物为基础的二组分或多组分氧化物催化剂 ③ 以Ti 氧化物为基础的多组分混合氧化物是近年来开发的一类催化剂 ④ 铁酸盐催化剂体系 ⑤ H – 198型铁系催化剂 如何确定半导体氧化物为n 型或p 型 ① n 型氧化物的金属离子应该有容易达到的较低的氧化态；如：ZnO 和Fe3O4。 ② p 型氧化物的金属离子应有容易达到的高的氧化态；如：Cu2O 和CoO 。 p 型半导体活性最高，其次是绝缘体，n 型半导体活性最低。 ? 晶格氧离子O 2- 是亲核试剂，它没有氧化性质,它们可以通过亲 核加成插入到烃类分子缺电子的位置上，导致选择性氧化，这种方式生成的含氧化合物的类型取决于反应物分子与催化剂 表面活性中心之间形成的中间态结构
多孔金属过渡金属氧化物复合材料的制备及电化学性能研究
多孔金属/过渡金属氧化物复合材料的制备及电化学性能研究基于自身独特的物理化学性能,以自然界储量丰富、可调控的微/纳结构形态为优点的过渡金属氧化物材料一直以来受到众多科研者的青睐,且在环境和能源领域有着广阔的应用前景,可用于超级电容器、电化学传感器和光催化等等。但是,过渡金属氧化物有导电性差、低的离子传输动力学、差的结构稳定性等缺点,限制了其应用。因此,设计高性能的过渡金属氧化物电极结构己成为非常紧迫的任务。本论文以多孔金属为基,采用等离子体处理、原子层沉积、电化学沉积以及金属有机骨架化合物热分解等不同的方法制备出各类过渡金属氧化物复合电极,并研究了它们在超级电容器、生物传感器及水氧化反应方面的性能。这对于阐明材料的微/纳结构与性能之间的关系,以及进一步拓宽过渡金属氧化物的应用范围具有重要的意义。针对以上问题,本论文的主要内容是基于多孔金属和过渡金属氧化物纳米复合材料构筑高性能电化学电极的创新性研究,主要涵盖的工作有:(1)采用水热合成、热退火及等离子体处理的方法制备出多级多孔的Ni/NiO 核壳结构,并且对样品进行了形貌表征及电化学性能测试。该核壳结构是由高导电性且相互连通的Ni骨架内核以及均匀覆盖其表面的NiO壳层组成,其在超级电容器和生物传感器方面表现出优异的电化学性能。作为赝电容电极材料,该电极表现出高达255 mF cm-2的面积电容。同时,该电极还表现出对葡萄糖电氧化的高催化活性,灵敏度为4.49 mA mM-1 cm-2,检测限为10 mM。此外,分层多级的孔径增强了电解质和离子在互连的多孔通道内的快速扩散及传输,这主要体现
在4000个循环的优异稳定性方面以及对葡萄糖短至1.5 s的电流快速响应。分层多级多孔金属/金属氧化物核壳结构这些概念也为能量存储和电化学催化领域设计高性能电极材料开辟了新的途径。(2)通过使用原子层沉积的方法在纳米多孔金(NPG)膜的骨架表面上包覆一层超薄的CoO壳层制备柔性的电化学传感电极,并且对样品进行了形貌表征及电化学性能测试。NPG/CoO复合电极不仅实现了对葡萄糖氧化和H202还原的高催化活性,而且表现出在葡萄糖和H202分子浓度检测中良好的线性关系。此外,该电极用于H202传感器时的灵敏度可高达62.5 μA mM-1 cm-2且其线性关系保持在0.1-92.9 mM的浓度范围内。该电极表现出的优异电催化性能主要是由于Au和CoO在界面处的协同效应以及具有高导电性和大比表面积的多孔金骨架的贡献。(3)通过采用微米级的划刻技术将纳米多孔金薄膜加工成交叉指形的平面微集流体,这种高离子传输的纳米多孔通道和高电导率的相互连通纳米金骨架可设计出高性能的微型赝电容器。因此,这些制备出的微电容器件显示一系列优异的电容特性,包括超快充放电(高倍 率性能)、高的比电容(1.27mFcm-2,127 F cm-3)以及在保持高功率密度(22.21 W cm-3)的同时还能取得高能量密度(0.045 Wh cm-3)。特别是,优异的循环稳定性和机械柔韧性给他们在未来微型电子学的应用提供了巨大潜力。这种设计概念也为将平面型超级电容器集成到大规模制备的微型化器件中提供了一种新途径。(4)通过在Ar和空气中退火处理水热合成的金属有机骨架化合物(Co-MOF)可得到多孔的 Co304/C纳米线阵列(NAs)。在电化学储能方面,Co3O4/C NAs在1 mA
金属氧化物催化剂与选择性氧化
金属氧化物催化剂与选择性氧化催化剂设计理论基础、作用机理
金属氧化物催化剂 金属氧化物催化剂通常为复合氧化物（complex oxides),即多组分的氧化物。如V 2532V 2O 5-P 2O 5,V 2O 5-MoO 3-Al 2O 3。组分中至少有一个组分是过渡金属氧化物。组分与组分之间可能相互作用，作用的情况因条件而异。复合氧化物系通常是多相共存，如MoO 3-Al 2O 3，就有α-、β-、复杂，有固溶体、有杂多酸、有混晶等。 就催化作用与功能来说，有的组分是主催化剂，有的组分为助催化剂或者是载体。
金属氧化物催化剂的结构化学z具有某种特定晶格结构的新化合物生成，需要满足三个方面的要求：1 控制化学计量关系的价态平衡；2 控制离子间大小相互取代的可能；3修饰理想结构的配位情况变化。这种理想结构是基于假定离子是刚性的、不可穿透的、非崎变的球体。 z对于复合金属氧化物，实际结构常有晶格缺陷、非化学计量的情况，而且离子是可变形的。 z任何稳定的化合物。无论它是晶态结构或无定形态结构，必须满足化学价态的平衡。当晶格中发生高价离子取代低价离子时，就要结合高价离子和因取代而需要的晶格阳离子空位以满足这种要求。
金属氧化物催化剂的结构特征z 尖晶石结构（AB 2O 4，LiMn 2O 4, MoAg 2O 4, MoLi 2O 4,WLi 2O 4）A 8B 16O 32z 钙钛矿型结构（ABO 3, LaMnO 3, LaFeO 3, LaCrO 3, LaCoO 3）z 层状结构LiCoO 2, LiNiO 2, LiMn 2O 4, LiNi x Co 1-x O 2z 新型介孔材料TiO 2, Al 2O 3、PbO 2、Fe 2O 3、WO 3、V 2O 5、MoO 3、ZrO 2 、TiO 2 、Mn 2O 4
金属氧化物催化机理
?氨吸附/脱附法研究发现随着在MoO3 –P２O5体系中加入少量得Bi2Ｏ3后催化剂得酸性迅速增加,并达到极大值,然后随Ｂi2O3得量增加而下降 ?亲核氧化反应得第一步就是有机分子得活化，然后进行氧离子得亲核加成作用 ?催化剂要活化烃类并使其进一步进行氧化反应,必须具备酸性与氧化还原两种催化功能,并且这两种功能又必须相互协同进行 ?不同氧化物上得实验结果表明:第V、Ⅵ、Ⅶ族过渡金属氧化与配位多面体形成不同类型得键合方式,并且在确定有机分子亲核插入机理中起着重要得作用
? 强亲电性得O ２－与O -物种进攻有机分子中电子密度最高得部分 进行亲电加成形成过氧或环氧化合物,并且进一步发生断裂而使 烃分子降解起始,烯烃形成饱与醛，而芳烃形成相应得酸酐 ? 在高温时，高反应性得饱与醛迅速发生全氧化 催化剂要活化烃类并使其进一步进行氧化反应，必须具备酸性与氧化还原两种催化功能， 并且这两种功能又必须相互协同进行 ? 催化剂得酸碱性质变化对催化反应选择性得影响不就是由于分子中官能团反应能 力改变而引起得,而仅就是改变了吸附性质,即改变反应物或产物分子在催化剂表面 上得停留时间 (1）丁烯氧化脱氢得工业催化剂 ① Bi – M ｏ氧化物体系。在这类催化剂中，M ｏ或Bi – Mo 氧化物就是主要活性 组分，碱金属、铁系元素、ⅤB 元素得氧化物主要起到提高活性、选择性与结构稳定性得 作用,ＳｉO2或 A12O ３作为载体 ② 以S ｂ或Ｓn 得氧化物为基础得二组分或多组分氧化物催化剂 ③ 以Ti 氧化物为基础得多组分混合氧化物就是近年来开发得一类催化剂 ④ 铁酸盐催化剂体系 ⑤ Ｈ – １98型铁系催化剂 如何确定半导体氧化物为n 型或p 型 ① n 型氧化物得金属离子应该有容易达到得较低得氧化态；如：ＺnO 与Fe3O4。 ② p 型氧化物得金属离子应有容易达到得高得氧化态;如:Cu2O 与Co Ｏ。 p 型半导体活性最高,其次就是绝缘体,ｎ型半导体活性最低。 1. 两种以上得吸附部位 阴离子，金属阳离子得不同变价。 如:Cr2O3/载体，Cr ３+就是加氢与脱氢反应活性中心,Cr ５+就是化学吸附中心与 催化聚合反应活性中心。 ? 晶格氧离子O 2-就是亲核试剂,它没有氧化性质,它们可以通过 亲核加成插入到烃类分子缺电子得位置上,导致选择性氧化,这 种方式生成得含氧化合物得类型取决于反应物分子与催化剂 表面活性中心之间形成得中间态结构
铁、铁的氧化物和氢氧化物及其强化练习
铁、铁的氧化物和氢氧化物 一、铁单质 1、组成：Fe 2、结构：晶体类型：金属晶体 化学键：金属键 3、物理性质：银白色，粉末呈黑色 4、化学性质：金属性、可燃性、还原性 （1）铁在氧气中燃烧：3Fe ＋2O 2 点燃 Fe 3O 4 （2）铁在氯气中燃烧：2Fe ＋3Cl 2 点燃 2FeCl 3 （3）铁与硫单质共热：Fe ＋S △ FeS （4）铁和水蒸气反应：3Fe ＋4H 2O 高温 Fe 3O 4＋4H 2 （5）铁和稀硫酸反应：Fe ＋H 2SO 4===FeSO 4＋H 2↑ （6）铁和浓硝酸共热：Fe ＋4HNO 3 △ Fe(NO 3)3＋3NO 2↑＋2H 2O （7）铁和浓硫酸共热：2Fe ＋6H 2SO 4 △ Fe 2(SO 4)3＋3SO 2↑＋6H 2O （8）铁和过量稀硝酸反应：Fe ＋4HNO 3===Fe(NO 3)3＋NO ↑＋2H 2O （9）过量的铁和稀硝酸反应：3Fe ＋8HNO 3===3Fe(NO 3)2＋2NO ↑＋4H 2O （10）铁和硫酸铜溶液反应：Fe ＋CuSO 4===FeSO 4＋Cu （11）铁和硝酸银溶液反应：Fe ＋2AgNO 3===Fe(NO 3)2＋2Ag （12）铁和氯化铁溶液反应：Fe ＋2FeCl 3===3FeCl 2 5、制法：（13）高温下，氧化铁和一氧化碳反应：Fe 2O 3＋3CO 高温 2Fe ＋3CO 2 （14）高温下，氧化铁和铝粉反应：2Al ＋Fe 2O 3 高温 Al 2O 3＋2Fe 6、用途：作合金、作建筑材料 二、氧化亚铁 1、组成：化学式：FeO 菱铁矿 2、结构：电子式：Fe 2＋ [：O ：]2－ 化学键：离子键 3、物理性质：黑色固体 4、化学性质：碱性氧化物的性质、氧化性、还原性为主 （1）氧化亚铁和氧气加热：6FeO ＋O 2 △ 2Fe 3O 4 （2）氧化亚铁和铝粉在高温下反应：2Al ＋3FeO 高温 Al 2O 3＋3Fe （3）氧化亚铁在高温下被一氧化碳所还原：FeO ＋CO 高温 Fe ＋CO 2 （4）氧化亚铁与稀硫酸反应：FeO ＋H 2SO 4===FeSO 4＋H 2O （5）氧化亚铁和浓硫酸反应：2FeO ＋4H 2SO 4===Fe 2(SO 4)3＋SO 2↑＋4H 2O （6）氧化亚铁和浓硝酸反应：FeO ＋4HNO 3===Fe(NO 3)3＋NO 2↑＋2H 2O ·· ··
第六章 金属催化剂催化作用
第六章 金属催化剂催化作用 章节分配 一、金属催化剂重要类型及重要催化反应示例 二、乙烯环氧化催化作用 1. 乙烯环氧化工业催化剂 2. 乙烯环氧化反应机理 3. 乙烯环氧化中助催剂、促进剂的作用及新型催化剂 三、氨合成催化剂催化作用 1. 合成氨催化剂简况 2. 熔铁催化剂的结构 3. 各种助剂的作用及含量的最佳值范围 4. 氨合成铁催化剂活性中心模型及其作用机理 四、烃类催化重整催化剂作用原理 1. 催化重整反应及重整催化剂 2. 烃类在过渡金属上的吸附态及烃类脱氢 3. 催化重整作用机理 五、其他重要类型金属催化剂简介 1. 镍系催化剂 2. 裂解气中炔烃选择加氢催化剂 六、金属催化剂的电子迁移、d空穴与催化活性 七、多位理论的几何因素与能量因素 八、对多位理论及电子理论的评价 金属催化剂是固体催化剂中研究得最早、最深入，同时也是获得最广泛应用的一类催化剂，例如，氨的合成(Fe)和氧化(Pt)，有机化合物的
加氢(Ni，Pd，Pt，等)、氢解(Os, Ru，Ni，等)和异构(Ir，Pt，等)，乙烯的氧化(Ag)，CO的加氢(Fe，Co，Ni，Ru，等)以及汽车尾气的净化(Pt，Pd，等)等等。其主要特点是具有很高的催化活性和可以使多种键发生开裂。 (1) 自从上世纪P．Sabatier发现金属镍可催化苯加氢生成环己烷以来，迄今除金属催化剂以外，尚未发现过能催化这一反应的其它类型催化剂．又如，乙烷氢解对金属催化剂来说并非难事．然而除金属催化剂之外，也末发现可使乙烷加氢分解的别种催化剂，另外，如众所周知，F—T合成也只有在金属催化剂上才能进行等等．那么，金属催化剂之所以具有这种高的活性，其内在因素是什么? (2)所有金属催化剂几乎都是过渡金属，而且，金属催化剂的功能又都和d轨道有关，这是为什么? (3)当过渡金属催化剂按其活性排列时，对每个反应都有自己独有的序列，即使对每类反应，至今也未发现它们有相同的序列，什么是决定这种序列的内在因素? (4)对一个反应来说，为什么同类金属又常常有明显不同的选择性? (5)对某些反应来说，单位表面积的催化活性决定于金属的晶面、金属晶粒的大小(如果金属是负载着的)，载体以及制法，为什么对活性有这种差别?又怎样和反应相联系? (6)由两种金属制成的合金催化剂，其催化功能随组分有强大变化，而且又明显地取决于所研究的反应，产生这些效果的原因是什么? 表6-1 金属催化剂类型(按制备方法划分) 催化剂类型催化剂用金属制造方法特点 还原型Ni, Co, Cu, Fe金属氧化物以H2还原 甲酸型Ni, Co金属甲酸盐分解析出金属 Raney型Ni, Co, Cu, Fe金属和铝的合金以NaOH处理，溶提去 铝
光催化原理及应用
光催化原理及应用 起源 光触媒，是一个外来词，起源于日本，由于日本文字写成“光触媒”，所以中国人就直接把她命名为“光触媒”。其实日文“光触媒”翻译成中文应该叫“光催化剂”翻译成英文叫“photo catalyst”。光触媒于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。在一次试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。这一效果作为“ 本多· 藤岛效果” （Honda-Fujishima Effect）而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师----东京工艺大学校长本多健一的名字。 这种现象相当于将光能转变为化学能，以当时正值石油危机的背景，世人对寻找新能源的期待甚为殷切，因此这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩目，但由于很难在短时间内提取大量的氢气，所以利用于新能源的开发终究无法实现，因此在轰动一时后迅速降温。 1992年第一次二氧化钛光触媒国际研讨会在加拿大举行，日本的研究机构发表许多关于光触媒的新观念，并提出应用于氮氧化物净化的研究成果。因此二氧化钛相关的专利数目亦最多，其它触媒关连技术则涵盖触媒调配的制程、触媒构造、触媒担体、触媒固定法、触媒性能测试等。以此为契机，光触媒应用于抗菌、防污、空气净化等领域的相关研究急剧增加，从1971年至2000年6月总共有10,717件光触媒的相关专利提出申请。二氧化钛 TiO 2 光触媒的广泛应用，将为人们带来清洁的环境、健康的身体。 催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参加反应。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。 光触媒是一种纳米级的金属氧化物材料，它涂布于基材表面，在光线的作用下，产生强烈催化降解功能：能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭多种细菌，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理；同时还具备除臭、抗污等功能。光催化是在光的辐照下使催化剂周围的氧气和水转化成极具活性的氧自由基，氧化力极强，几乎可以分解所有对人体或环境有害的有机物质总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。 早在1839 年, Becquere 就发现了光电现象, 然而未能对其进行理论解释。直到1955 年, Brattain 和Gareet才对光电现象进行了合理的解释, 标志着光电化学的诞生。1972 年, 日本东京大学Fu jishmi a和H onda研究发现[ 3] , 利用二氧化钛单晶进行光催化反应可使水分解成氢和氧。这一开创性的工作标志着光电现象应用于光催化分解水制氢研究的全面启动。在过去30 年里, 人们在光催化材料开发与应用方面的研究取得了丰硕的成果。 以二氧化钛为例, 揭示了其晶体结构、表面羟基自由基以及氧缺陷对量子效率的影响机制; 采用元素掺杂、复合半导体以及光敏化等手段拓展其光催化活性至可见光响应范围; 通过在其表面沉积贵金属纳米颗粒可以提高电子- 空穴对的分离效率, 提高其光催化活性。尽管人们对光催化现象的认知与应用取得了长足的进步, 然而受认知手段与认知水平的限制, 目前对光催化作用机理的研究成果仍不足以指导光催化技术的大规模工业化应用, 亟待大力开展光催化基本原理研究工作以促进这一领域的发展。另一方面, 现有光催化材料的光响应范围窄, 量子转换效率低, 太阳能利用率低, 依然是制约光催化材料应用的瓶颈。寻找和制备高量子效率光催化材料是实现光能转换的先决条件, 也是光催化材料研究者所需要解决的首要任务之一。 光催化机理： 半导体材料在紫外及可见光照射下，将光能转化为化学能，并促进有机物的合成与分解，这一过程称为光催化。当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB)激发到导带(CB)形成光生载流子(电子-空穴对)。在缺乏合适的电子或空穴捕获剂时，吸收的光能因为载流子复合而以热的形式耗散。价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。大多数有机光降解是直接或间接利用了空穴的强氧化能力。 例如TiO2是一种半导体氧化物，化学稳定性好(耐酸碱和光化学腐蚀)，无毒，廉价，原料来源丰富。 TiO2在紫外光激发会产生电子－空穴对，锐钛型TiO2激发需要3.2 eV的能量，对应于380 nm左右的波长。光催化活性高(吸收紫外光性能强；能隙大，光生电子的还原性和和空穴的氧化性强)。因此其广泛应用于水纯化，废水
铁铁的氧化物和氢氧化物及其强化练习
物化氢氧铁、铁的氧化物和 一、铁单质Fe 、组成：1 化学键：金属键2、结构：晶体类型：金属晶体 3、物理性质：银白色，粉末呈黑色 4、化学性质：金属性、可燃性、还原性点燃（1）铁在氧气中燃烧：3Fe＋2OFeO432 点燃3Cl2FeCl2）铁在氯气中燃烧：2Fe＋（32 △FeS Fe＋S（3）铁与硫单质共热： 高温4HFeO（4）铁和水蒸气反应：3Fe＋4H＋O2234 ↑FeSO＋H（5）铁和稀硫酸反应：Fe＋HSO===2442△O 2H＋＋4HNO3NO↑＋Fe(NO)（6）铁和浓硝酸共热：Fe23233 △SO＋6HO （7）铁和浓硫酸共热：2Fe)Fe(SO＋3SO↑＋6H4432222 O 2HNO↑＋Fe(NO（8）铁和过量稀硝酸反应：Fe＋4HNO)＋===2333O 4H2NO↑＋（9）过量的铁和稀硝酸反应：3Fe＋8HNO3Fe(NO)＋===2233Cu FeSO＋）铁和硫酸铜溶液反应：（10Fe＋CuSO===442Ag )＋（11）铁和硝酸银溶液反应：Fe＋ 2AgNOFe(NO===233 2FeCl3FeCl（12）铁和氯化铁溶液反应：Fe＋===23高温3CO＋3CO5、制法：（13）高温下，氧化铁和一氧化碳反应：FeO＋2Fe223 高温2Fe OFe（14）高温下，氧化铁和铝粉反应：2Al＋O＋Al3232 6、用途：作合金、作建筑材料二、氧化亚铁1、组成：化学式：FeO 菱铁矿··22 O：]化学键：离子键、结构：电子式：2Fe [··3、物理性质：黑色固体4、化学＋－： 性质：碱性氧化物的性质、氧化性、还原性为主△＋6FeOOO2Fe（1）氧化亚铁和氧气加热：423 高温3Fe ＋3FeOAl（2）氧化亚铁和铝粉在高温下反应：2Al＋O32 高温COFe＋CO）氧化亚铁在高温下被一氧化碳所还原：FeO＋（32 （4）氧化亚铁与稀硫酸反应：FeO＋HSOFeSO＋HO ===2244（5）氧化亚铁和浓硫酸反应：2FeO＋4HSOFe(SO)＋SO↑＋4HO ===2242243（6）氧化亚铁和浓硝酸反应：FeO＋4HNOFe(NO)＋NO↑＋2HO ===22333． O ＋10HNO3Fe(NO)＋NO↑＋5H（7）氧化亚铁和稀硝酸反应：3FeO===2333高温2FeO ＋O5、制法：（8）铁在高温下与氧气反应：2Fe2 、用途：用于炼铁6 三、四氧化三铁俗名：磁性氧化铁、磁铁矿Fe1、组成：化学式：O43化学键：离子键2、结构：晶体类型：离子晶体 3、物理性质：黑色固体，有磁性 4、化学性质：碱性氧化物、氧化性、还原性高温9Fe ＋1（）四氧化三铁和铝粉在高温下反应：8Al＋3FeO4AlO3243 高温OFe＋4CO4CO3Fe＋（2）四氧化三铁在高温下被一氧化碳所还原：234 O 4H＋8HClFeCl＋2FeCl＋（3）四氧化三铁与稀盐酸反应：FeO===24233O 10H(SO)＋SO↑＋）四
铁铁的氧化物和氢氧化物及其强化练习
铁铁的氧化物和氢氧化物 及其强化练习 Revised by BLUE on the afternoon of December 12,2020.
铁、铁的氧化物和氢氧化物 一、铁单质 1、组成：Fe 2、结构：晶体类型：金属晶体 化学键：金属键 3、物理性质：银白色，粉末呈黑色 4、化学性质：金属性、可燃性、还原性 （1）铁在氧气中燃烧：3Fe ＋2O 2 点燃 Fe 3O 4 （2）铁在氯气中燃烧：2Fe ＋3Cl 2 点燃 2FeCl 3 （3）铁与硫单质共热：Fe ＋S △ FeS （4）铁和水蒸气反应：3Fe ＋4H 2O 高温 Fe 3O 4＋4H 2 （5）铁和稀硫酸反应：Fe ＋H 2SO 4===FeSO 4＋H 2↑ （6）铁和浓硝酸共热：Fe ＋4HNO 3 △ Fe(NO 3)3＋3NO 2↑＋2H 2O （7）铁和浓硫酸共热：2Fe ＋6H 2SO 4 △ Fe 2(SO 4)3＋3SO 2↑＋6H 2O （8）铁和过量稀硝酸反应：Fe ＋4HNO 3===Fe(NO 3)3＋NO↑＋2H 2O （9）过量的铁和稀硝酸反应：3Fe ＋8HNO 3===3Fe(NO 3)2＋2NO↑＋4H 2O （10）铁和硫酸铜溶液反应：Fe ＋CuSO 4===FeSO 4＋Cu （11）铁和硝酸银溶液反应：Fe ＋2AgNO 3===Fe(NO 3)2＋2Ag （12）铁和氯化铁溶液反应：Fe ＋2FeCl 3===3FeCl 2 5、制法：（13）高温下，氧化铁和一氧化碳反应：Fe 2O 3＋3CO 高温 2Fe ＋3CO 2 （14）高温下，氧化铁和铝粉反应：2Al ＋Fe 2O 3 高温 Al 2O 3＋2Fe 6、用途：作合金、作建筑材料 二、氧化亚铁 1、组成：化学式：FeO 菱铁矿 2、结构：电子式：Fe 2＋ [：O ：]2－ 化学键：离子键 3、物理性质：黑色固体 4、化学性质：碱性氧化物的性质、氧化性、还原性为主 （1）氧化亚铁和氧气加热：6FeO ＋O 2 △ 2Fe 3O 4 ·· ··
光催化研究进展
光催化材料最新研究进展 1.简介 当今世界正面临着能源短缺和环境污染的严峻挑战,解决这两大问题是人类社会实现可持续发展的迫切需要。中国既是能源短缺国，又是能源消耗大国。近年来，伴随社会经济的快速发展，中国石油对外依存度不断攀升,已经严重影响国家经济健康发展和社会稳定，并威胁到国家能源安全。同时，石油等化石能源的过度消耗导致污染物大量排放，加剧了环境污染，尤其是我国近年来雾霾天气的频繁出现，严重影响了人民的生活和身体健康，开发和利用太阳能是解决这一难题的有效方法之一。 我国太阳能资源十分丰富，每年可供开发利用的太阳能约1.6×1015W，大约是2010年中国能源消耗的500倍。从长远看，太阳能的有效开发与利用对优化中国能源结构具有重大意义。然而太阳能存在能量密度低、分布不均匀、昼夜/季节变化大、不易储存等缺点。 如图1所示，光催化技术可以将太阳能转换为氢能。氢能能量密度高、清洁环保、使用方便，被认为是一种理想的能源载体。目前氢能的利用技术逐渐趋于成熟，以氢气为燃料的燃料电池已开始实用化，氢气汽车和氢气汽轮机等一些“绿色能源”产品已开始投入市场。氢利用技术的成熟提高了对制氢技术快速发展的要求。高效、低成本、大规模制氢技术的开发成为了“氢经济”时代的迫切需求。自20世纪70年代日本科学家利用TiO2光催化分解水产生氢气和氧气以来，光催化材料一直是国内外研究的热点之一。光催化太阳能制氢方法是一种成本低廉、集光转换与能量存储于一体的方法，该领域的研究越来越受到各国的广泛关注。国际上光催化材料研究竞争十分激烈。光催化材料不仅具有分解水制氢的功能,而且具有环境净化功能。利用光催化材料净化空气和水已成为当今世界引人注目的高新环境净化技术。太阳能转换效率是制约光催化技术走向实用化的关键因素之一，光催化材料的光响应范围决定了太阳能转换氢能的最大理论转化效率。光催化领域经过40余年的发展和积累，正孕育着重大突破，光催化太阳能转换效率不断提高，光催化技术正处于迈向大规模应用的关键阶段，国际竞争十分激烈。 在能源和环境问题强大需求的推动下，国际上光催化领域的研究已经从最初的实验现象发现，逐步由基础理论研究转向光催化材料的应用基础研究；由光催化材料探索逐步转向高效光催化材料体系设计。在研究手段上，已经能够从分子、原子水平上揭示光催化材料基本物性以及光催化材料的构-效关系，从飞秒时间尺度上研究光催化反应过程与反应机理。包括第一性原理与分子动力学模拟在内的现代科学计算方法，逐渐在光催化材料物性与光催化反应机理研究方面起到重要作用。以半导体物理学、材料科学和催化化学为基础的较为完整的光催化基础理论体系已经初步建立。光催化已经发展为物理、化学、能源和环境等多学科交叉领域，成为了热点研究领域之一。光催化领域最新的研究进展主要集中体现在认识光催化太阳能转换效率限制因素；揭示光催化机理与发展表征手段；设计基于新奇物理机制的光催化材料(改善光催化反应效率）阐明光催化材料构-效关系以及构建复杂、高选择性环境净化体系等方面。
铈锰复合氧化物催化剂的制备
铈锰复合氧化物催化剂的制备、表征及活性评价【摘要】本实验通过制备铈锰金属复合氧化物催化剂，利用差热分析（DTA）和BET等对所制备的催化剂的结构和性能进行表征，并对其进行乙烯氧化反应的活性评价。 【关键词】铈锰金属复合氧化物催化剂，制备，差热分析，BET，乙烯氧化，活性评价 The Preparation，Characterization and Performance Evaluation of Ce/Mn plex Oxide Catalyst 【Abstract】In this experiment, we prepared the Ce/Mn plex oxide catalyst. From BET, BET and testament of catalytic performance, we get an overall view of the properties of Ce/Mn multiplicity catalyst. 【Keywords】Ce/Mn plex oxide catalyst，Production，TGA，BET，testament of catalytic performance 【前言】 相当一些化学反应的自由能变化小于零，甚至远小于零。也就是说，这些反应在热力学上看，是有较大的反应潜力。但由于存在较高的反应活化能，使得这些反应实际上不能发生。如加入适当的催化剂，改变原来的反应历程，能按某一活化能较低的途径进行。氧化铈具有很好的还原性能和氧储存能力，作为催化剂和催化剂载体在汽车尾气净化，低温WGS，CO氧化等很多领域有重要的应用。氧化锰是常见的氧化型催化剂的活性组分。锰铈复合氧化物在催化氧化方面的应用引起了人们的注意,并有进一步深入研究的意义。 差热分析是热分析的一种，它是在一定条件下同时加热或冷却样品和参比物，并
具有d10电子构型的金属氧化物光催化剂
具有d10电子构型的金属氧化物光催化剂的制备及其光催化性质 1.概述 能源利用、环境保护、生命科学等成为人类当前最热门的话题。近年来，随着光催化技术的发展，人们不仅期望它在太阳能的转换与储存和新物质合成中做出重大的贡献，还希望它在降解污染物、抗菌杀毒等方面发挥重要的作用。光催化技术现已被广泛应用于环保、建筑、医学、能源开发等领域[1]。 人们对于光催化技术的研究及应用，主要集中在有机物的光降解和水的光解。随着研究的深入，人们发现半导体光催化技术，具有能耗低、氧化能力强、反应条件温和、操作简便、可减少二次污染等突出优点，有着诱人的应用前景，将可能逐渐成为实用的工业化技术。半导体光催化剂分散在介质中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与介质中相似的组分进行氧化和还原反应。大量实验证明，半导体光催化是目前光化学方法应用于污染控制、能源开发等诸多研究中最活跃的领域。 目前，国内外研究者就半导体光催化诸多方面的问题开展了深入地研究，其主要内容有：半导体光催化材料的筛选、制备，半导体光催化活性产生的机制及所产生的活性物种，光催化剂的固定化及尺寸量子化，半导体光催化矿化各种有机物的机理，各种形式的半导体光催化反应器，水中和气相中各种污染物光催化降解动力学等。其中最具代表性的为基于TiO2的各种光催化剂被大量的开发并被人们实际的应用。围绕TiO2改性、提高太阳能的转化率、改进光催化方法和光反应器，提高光催化效率，仍然是广大研究者进行的一个课题[2-4]。 电子构型又称电子组态。是原子、离子或分子的电子状态的一种标志。按照量子力学的轨道近似法，原子、离子或分子中的每一个电子被认为各处于某自旋和轨道的状态。体系中全体电子所处的自旋和轨道的总体，构成了整个体系的电子构型。对于构成传统的过渡金属氧化物的骨架金属有Ti4+、Zr4+、Nb5+以及Ta5+，具有d0的电子构型，它们通过掺杂、复合以及共掺氧化钌（RuO2）和氧化镍辅助催化剂等形成的半导体光催化剂，展现良好的光催化活性。但是最近发现含有d10
铁的单质和氧化物、氢氧化物-人教版高一化学寒假作业
2019-2020学年人教版（2019）高一化学寒假作业（14）铁的单质和氧化物、氢 氧化物 1、某些化合物可由两种单质加热直接反应生成。下列化合物不符合上述条件的是( ) A.FeS B.2FeCl C.3FeCl D.34Fe O 2、下列铁的化合物可以分别通过化合反应、置换反应、复分解反应生成的是( ) A. FeCl 3 B.Fe 3O 4 C.Fe(OH)3 D.Fe 2(SO 4)3 3、在氯化铁、氯化铜和盐酸的混合溶液中加入铁粉，充分反应，将所剩余的固体滤出，该固体能被磁铁吸引，则反应后溶液中存在较多的阳离子是( ) A.2+Cu B.3+Fe C.2+Fe D.+H 4、将a g 铁和氧化铁的混合物加入足量的盐酸中充分反应后,固体无剩余。测得参加反应的 HCl 的物质的量为0.08 mol,放出气体0.224 L(标准状况下)。则下列判断中正确的是( ) A.原混合物中 n (Fe) : n (Fe 2O 3 )=2 : 1 B.向溶液中滴入KSCN 溶液,溶液显红色 C.无法计算原混合物的质量 D.此时溶液中Fe 2+和Fe 3+的物质的量之比为3 : 1 5、把铁片投入到下列溶液中，铁片质量减少，且没有气体产生，此溶液是( ) A.4FeSO 溶液 B.24H SO 溶液 C.()243Fe SO 溶液 D.3AgNO 溶液 6、关于下述三个实验:①将铁钉放入4CuSO 溶液中:44Fe+CuSO =Cu+FeSO ;②向硫酸亚铁溶液中滴入几滴浓硝酸:4324333223FeSO +6HNO =Fe (SO )+Fe(NO )+3NO +3H O ↑;③将铁钉放入氯化铁溶液中:32Fe+2FeCl =3FeCl 。下列判断正确的是( ) A.实验①和③中铁作还原剂 B.实验②中2+Fe 既显氧化性又显还原性 C.氧化性:2+2+Fe >Cu D.实验③中反应的离子方程式为3+2+Fe+Fe =2Fe
铁的氢氧化物
铁的氢氧化物 Fe 2+、Fe 3+的检验 铁三角 S 、I 2、 C u 2 + H +C l 2、B r 2、H N O 3 H 2S O 4(浓)O 2、Cl 2、HNO 3、H 2SO 4(浓)、（其它如：Br 2、H 2O 2、MnO 4-） Fe 、Cu 、H 2S 、S 2-、I -、 H 2、C O 、C 、 活泼金属H 2、 C O 、C 、 活泼金属Fe Fe 3+ Fe 2+ Fe 与弱氧化剂反应，如H +、Cu 2+ 、I 2 、S 等； 用还原剂如H 2 、CO 等还原FeO 或用Mg 、Zn 、Al 等还原Fe 2+盐溶液 铁与强氧化剂反应如Cl 2、Br 2、浓H 2SO 4 、浓HNO 3等 用还原剂如H 2 、CO 等还原Fe 2O 3或用足量Mg 、Zn 、Al 等还原 Fe 2+遇强氧化剂的反应如Cl 2、Br 2、O 2、浓H 2SO 4、浓HNO 3、H 2O 2、Na 2O 2、HClO 等
Fe 3+遇某些还原剂的反应如Fe 、Cu 、SO 2、I -、H 2S 等以及少量的Zn 、Mg 、Al 等 (2)Fe Fe2 +Fe+2Fe3 +==3Fe2+(3)Fe Fe3 +2Fe 3++3Zn==2Fe+3Zn 2+ (1) Fe2 +Fe 3+ 2Fe3++2I -== 2Fe 2++I 22Fe 2++Cl 2 == 2Fe3 ++2Cl -3Fe 2+ +4H ++NO 3-== 3Fe 3++NO + 2H 2O 2Fe3 + + Fe == 3Fe 2+2Fe3 ++Cu==2Fe 2++Cu 2+Fe+2H +==Fe2 ++H 2Fe2 ++Zn==Zn 2++Fe Fe + 4H ++NO 3–(稀）== Fe 3++ NO + 2H 2O 点燃 2Fe+3Cl 2===2FeCl 3 Fe+S == FeS 加热
铁的氧化物
铁的氧化物 1．铁的含量及存在形态 (1)含量：铁在地壳中的含量仅次于O、Si、Al ，居第四位。 (2)形态：铁的主要化合价为+2、+3 ，在地壳中主要是以化合物的形式存在。 2、铁的氧化物比较 （1）氧化亚铁与酸 ①氧化亚铁与盐酸反应： 化学方程式为：离子方程式为： ②氧化亚铁与稀硫酸反应： 化学方程式为：离子方程式为： ③氧化亚铁与浓硫酸反应，化学方程式为： ④氧化亚铁与稀硝酸反应： 化学方程式为：离子方程式为： ⑤氧化亚铁与浓硝酸反应： 化学方程式为：离子方程式为： （2）氧化铁与酸 ①氧化铁与盐酸反应： 化学方程式为：离子方程式为：
②氧化铁与稀硫酸反应： 化学方程式为：离子方程式为： ③氧化铁与浓硫酸反应：化学方程式为： ④氧化铁与硝酸反应： 化学方程式为：离子方程式为： （3）氧化亚铁与酸 ①四氧化三铁与盐酸反应： 化学方程式为：离子方程式为： ②四氧化三铁与稀硫酸反应： 化学方程式为：离子方程式为： ③四氧化三铁与浓硫酸反应：化学方程式为： ④四氧化三铁与稀硝酸反应： 化学方程式为：离子方程式为： ⑤四氧化三铁与浓硝酸反应： 化学方程式为：离子方程式为： 4.铁的氧化物与氢气、一氧化碳、碳反应 （1）氧化亚铁与氢气、一氧化碳、碳反应 ①氧化亚铁与氢气反应，化学方程式为： ②氧化亚铁与一氧化碳反应，化学方程式为： ③氧化亚铁与碳反应，化学方程式为： （2）氧化铁与氢气、一氧化碳、碳反应 ①氧化铁与氢气反应，化学方程式为： ②氧化铁与一氧化碳反应，化学方程式为： ③氧化铁与碳反应，化学方程式为： （3）四氧化三铁与氢气、一氧化碳、碳反应 ①四氧化三铁与氢气反应，化学方程式为： ②四氧化三铁与一氧化碳反应，化学方程式为： ③四氧化三铁与碳反应，化学方程式为： 5.下列说法正确的是() A.赤铁矿的主要成分是Fe3O4 B.Fe2O3为碱性氧化物，可与水反应生成Fe(OH)3 C.铁锈的主要成分是Fe2O3 D.Fe3O4中铁元素有＋2价和＋3价，Fe3O4是混合物 6.判断正误 (1)Fe3O4是黑色固体，有磁性。() (2)Fe2O3既不溶于水也不溶于酸。() (3)FeO是碱性氧化物，可与H2O反应生成Fe(OH)2。() (4)FeO、Fe2O3、Fe3O4中铁的化合价相同。()