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毕业论文课题相关文献综述
文 献 综 述
一、研究背景
环境和资源问题是当今人类面临的重大课题。煤、石油等天然矿物能源和化工原料日益稀缺,寻找可再生资源,研究从源头上消除或减少环境污染的可持续发展道路,势在必行[1-3]。生物质是指由光合作用和光合作用的产物而形成的各种有机体,包括所有的动植物、微生物[4]。它在全世界范围内分布广泛,种类繁多,蕴藏量极其丰富且价格便宜,在它的利用和开发过程中能达到可持续循环。将生物质原料转化为具有高附加值的新能源、新材料受到了各国研究者的高度关注和各国政府的极大关心。2003年,欧盟制定的生物燃料生产目标是:至2010年5.75%的运输燃料将由生物燃料取代,制定的到2020年生物燃料的比重升至10%的法规生产标准正在实施。美国、瑞士、英国、德国、瑞典、巴西、印度等国都在相关政策和法规上作出了加强生物质能源的应用和转化方面的规定[5-7]。虽然通过努力,在生物质能源利用方面取得了一定的成果,对生物质资源的利用远没达到大规模产业化的阶段。鉴于生物质同时是天然存在的可再生碳元素的载体,在对生物质能源充分利用的同时,将其转化为新型的功能炭材料加以利用,还有很大的发展空间。从另一角度来看,现在支撑当代社会发展的煤、石油和天然气等矿物性含碳资源,也是远古的生物质,因而高效利用生物质是人类的永恒主题。
近几年,由于对矿物质能源危机感的增强,开发以生物质为原料的新型炭材料引起了世界范围的重视,但目前研究从生物质原料出发制备应用于催化领域的新型炭材料的研究并不多。
介孔碳材料具有发达的空隙结构,较大的比表面积和孔体积,可调的孔径尺寸,以及良好的热稳定性等优点,使其在分离、吸附、催化剂载体、电极材料和储能等领域有广阔的应用前景[8]。以活性炭为载体的杂多酸催化剂的催化活性以及重复使用次数明显优于其它载体。其它载体相比，活性炭的优势在于其具有较高的比表面积和在较宽 pH 值范围内的稳定性[9]。Izumi 等[10]证明了杂多酸和活性炭之间存在很强的作用力，负载后不易脱落。活性炭作为催化剂载体的这些优良特性使它具有广阔的工业化应用前景。
淀粉广泛存在于大米、小麦、马铃薯、甘薯等农作物中,是人体必须的营养物质。从分子结构看,淀粉是由葡萄糖单元以a糖昔的形式,通过1,4结合而成的一种多轻基高分子化合物。虽然绝大多数的天然淀粉都不具备直接被工业利用的性能,由于其既可生物降解又可再生,在工业上通过改性仍有着非常广泛的应用[11]。如醋化淀粉早就用于选矿业中作为絮凝剂把氧化铁从薪土金属岩石中分离出来,后来发现连接某些官能团可有效去除工业废水中的金属离子[12];热塑性淀粉可完全生物降解,能用于制备生物降解塑料[13];阳离子淀粉或阳离子经甲基淀粉对玻璃纤维有粘合作用,且粘合性能好[14]。虽然改性淀粉在工业中应用广泛,而实际改性中大多使用了较多的有机溶剂及其他辅助材料,从而大大增加了改性淀粉的生产成本。因此,如果能直接利用天然淀粉得到可应用的新材料,将大大降低淀粉利用的成本。
二、制备
在我们构思用生物质制备炭磺酸催化剂的研究的同时,英国的Clark研究组以淀粉为原料,经过一系列处理,最终得到具有酸催化功能的炭磺酸催化剂。其具体过程为[15]:先将淀粉放在水中100-130 ℃下加热,淀粉膨胀随后形成凝胶;在5 ℃下保持一定时间使淀粉凝胶产生网状结构;在干燥前先将水替换成低表面张力的溶剂,如乙醇等,以防止在干燥过程中网状结构坍塌,真空干燥后就得到膨胀的中孔淀粉。这样处理得到的中孔淀粉有较大的比表面积(l00 m2 g-1)和孔体积(0.5 cm3g-1),使其适合作为催化剂载体来进行表面修饰。clark小组采用先将其与(MeO)3Si(CH2)3SH反应再用过氧化氢氧化的方法得到了淀粉磺酸材料。他们也对中孔淀粉进行了碱性改性。在随后的研究中[16],这种有一定比表面和孔体积的中孔淀粉在150-700 ℃下热解炭化,得到一系列炭材料,作者称其为Starbon(从starch和carbon派生)。
三、性能研究
3.1固体酸催化剂表面酸性的表征
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