畢業(yè)實習報告-147

PAGEPAGE4畢業(yè)實習報告姓名：徐崇瀅年級：09級專業(yè)及班級：應(yīng)用化學(xué)1班學(xué)號：210992554實習地點及單位：國家環(huán)境光催化工程技術(shù)研究中心105實習日期：9月3日至9月21日指導(dǎo)教師：丁正新2012年9月21日實習內(nèi)容（校內(nèi)實習：課題組簡介、研究工作的內(nèi)容、目的、實驗結(jié)果及主要實驗數(shù)據(jù)、結(jié)論）1、課題組簡介：2008年新組建的“國家環(huán)境光催化工程技術(shù)研究中心”是在“福建省光催化技術(shù)工程研究中心”的基礎(chǔ)上進行籌建的，主要依托單位福州大學(xué)，福州大學(xué)光催化研究所為“中心”組建的主體單位，主要產(chǎn)業(yè)依托企業(yè)漳州萬利達光催化科技有限公司和福建新大陸環(huán)保科技有限公司為協(xié)作共建單位。新組建的“國家環(huán)境光催化工程技術(shù)研究中心”現(xiàn)擁有一支60余人的以工程院院士為學(xué)術(shù)與工程技術(shù)指導(dǎo)、以教授、研究員、高級工程師等優(yōu)秀中青年留學(xué)回國人員為主要科技骨干的研究隊伍，已具備開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究和工程化研究必需的先進儀器與設(shè)施（一座3500平方米的研究開發(fā)樓，內(nèi)有價值近2200萬元的先進專用儀器設(shè)備；一座1500平方米的工程化中試研究樓，內(nèi)有2條復(fù)合光催化劑中試生產(chǎn)線、一條光催化膜材料中試裝置和一整套光催化空氣凈化器評價裝置）。已建成的光催化劑制備實驗室、分析與性能測試實驗室、光催化技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)實驗室、工程化研究實驗室和中試生產(chǎn)車間，為我國環(huán)境光催化領(lǐng)域創(chuàng)新基礎(chǔ)研究、應(yīng)用技術(shù)開發(fā)和工程化研究的構(gòu)建了重要平臺。中心致力于在環(huán)境光催化材料的開發(fā)、光催化產(chǎn)品工程化研究和產(chǎn)業(yè)化實施，取得了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利成果和應(yīng)用基礎(chǔ)研究成果，先后獲得國家科技進步二等獎1項、省部級和軍隊科技一等獎3項，并獲得“國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”授牌。目前承擔著包括國家863計劃課題、國家973計劃課題、國家自然科學(xué)基金重點項目、國防科研項目、國家電網(wǎng)公司重大科技項目、福建省科技計劃重大項目等在內(nèi)的30多項國家和省部級光催化科研項目以及一批與企業(yè)合作開發(fā)項目。2、研究工作的目的和內(nèi)容：當前世界能源消耗的80%仍來自于以石油、煤、天然氣等為主的化石能源。從經(jīng)濟、環(huán)境和社會的角度來看，這種能源供應(yīng)和消費趨勢顯然是不可持續(xù)的。一方面，能源需求的快速增長將加重人們對能源供應(yīng)安全的擔憂；另一方面，與現(xiàn)有能源制度有關(guān)的碳排放強度呈明顯上升的趨勢.碳排放中以CO2為主的溫室氣體的濃度持續(xù)增加。如何穩(wěn)定控制大氣中溫室氣體濃度(450ppm左右)的方案迅速成為研究熱點，引起了環(huán)境、能源、物理、化學(xué)等交叉學(xué)科研究者的極大興趣。人工光合成CO2轉(zhuǎn)化和利用的創(chuàng)新技術(shù)。它利用太陽能激發(fā)半導(dǎo)體光催化材料產(chǎn)生光生電子-空穴，以誘發(fā)氧化-還原反應(yīng)將CO2和H2O合成碳氫燃料。與其它方法相比,該過程在常溫常壓下進行，原料簡單易得，直接利用太陽能無需耗費輔助能源，可真正實現(xiàn)碳材料的循環(huán)使用，因而被認為是最具前景的CO2轉(zhuǎn)化方法。光催化還原CO2的機理：光催化還原CO2是基于模擬植物的光合作用。綠色植物光合作用固定CO2是有機物質(zhì)合成的出發(fā)點，它既是人類賴于生存的基礎(chǔ)，同時也為人工光合成還原CO2提供了借鑒。如圖1所示，植物光合作用過程的關(guān)鍵參與者是葉綠素,，它以太陽光作為動力，把經(jīng)由氣孔進入葉子內(nèi)部的CO2和由根部吸收的水轉(zhuǎn)變成為淀粉，同時釋放O2。當在自然界承載生命活動關(guān)鍵作用的樹葉進入科學(xué)家的視野后，一大批研究者將精力傾注于這項被稱為21世紀夢的技術(shù)—人工光合成的研究，建成工業(yè)化的光合作用工廠將會改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)活動和生活方式。由于CO2無法吸收波長在200~900nm的可見光和紫外光，人工光合成還原CO2需要借助于合適的光化學(xué)增感劑才能完成。自從20世紀70年代日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)TiO2光催化現(xiàn)象以來，大量的研究表明，金屬有機材料（MOF）和半導(dǎo)體材料（金屬氧化物）等都具有光催化活性。半導(dǎo)體光催化反應(yīng)是以光能為驅(qū)動力的氧化-還原過程，其電子的激發(fā)與傳遞過程同光合作用過程極為相似。因此，人工光合成還原CO2實質(zhì)上是在光誘導(dǎo)下的氧化-還原反應(yīng)過程。它包含兩個基本過程：首先是CO2吸附在光催化材料的反應(yīng)位點，其次是CO2與光生電子-空穴之間的反應(yīng)轉(zhuǎn)化過程。因此，在光催化反應(yīng)過程中，要激發(fā)并分離電子-空穴對，光的能量須等于或大于光催化劑的禁帶寬度。這些光生載流子的能量主要取決于光催化劑的導(dǎo)帶和價帶的位置。如圖2所示，半導(dǎo)體光催化材料在受到能量相當于或高于其本身禁帶寬度的光輻照時，晶體內(nèi)的電子受激從價帶躍遷到導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶和價帶分別形成自由電子和空穴，并從半導(dǎo)體內(nèi)部遷移至表面。光生電子具有很強的還原能力，在H2O存在的條件下，根據(jù)不同的還原電勢和電子轉(zhuǎn)移數(shù)目(見圖式1)，將CO2還原得到HCHO，HCOOH，CH3OH和CH4等碳氫化合物。光生空穴具有很強的氧化能力，可以從H2O中奪取電子，并放出O2。由此可見，理論上只要合成禁帶寬度與光的能量相匹配，導(dǎo)帶和價帶的位置與反應(yīng)物的氧化-還原電位相匹配的半導(dǎo)體光催化劑，就可以通過光催化反應(yīng)來人工模擬植物的光合作用，以達到還原CO2的目的。3.實驗結(jié)果與主要實驗數(shù)據(jù)3.1MOF-74-Co的合成合成步驟稱取150mg2,5-二羥基對苯二甲酸，186mg六水合硝酸鈷溶解在15ml的四氫呋喃和水（V:V=1:1）的溶液中，把混合物放在反應(yīng)釜里密封，攪拌，在110℃烘箱中反應(yīng)3天。得到紅棕色的晶體，過濾、真空抽干。把所有合成的產(chǎn)物用甲醇浸泡4天，每天換一次新鮮的甲醇，再室溫下真空烘干，最后480K煅燒12小時，得到MOF-74-Co。圖2MOF-74-CoXRD圖3.2MOF-74-Mn的合成步驟：稱取219.6mg氯化錳和66.6mg2,5-二羥基對苯二甲酸加入到60的DMF（N,N-二甲基甲酰胺）：乙醇：水（V：V：V=1.5：1：1）的混合溶液中。將反應(yīng)物放入反應(yīng)釜旋緊，放到135的烘箱中反應(yīng)24小時。合成出了棕色的產(chǎn)物。產(chǎn)物用甲醇浸泡3天，每天換新鮮的甲醇2次，以交換出產(chǎn)物中溶劑分子，將產(chǎn)物放到200度的真空烘干72小時。圖3MOF-74-MnXRD圖圖4標準XRD圖4.結(jié)論通過簡單的溶解熱法合成新型光催化材料MOF-74-Mn與MOF-74-Co，通過檢測出的XRD表征與標準XRD圖的對比，確定合成MOF-74-Mn和MOF-74-Co兩種物質(zhì)具有與理論相同的結(jié)構(gòu)，而且具有很高的結(jié)晶度。在今后的工作中，將會用到MOF-74-Mn和MOF-74-Co做催化劑，探索他們在CO2還原方向的應(yīng)用，并對比性能，選擇催化性能更好的一種。實習體會（包括：實習收獲、對實習內(nèi)容的評價等）這次為期三周的實習，讓我對我的實習單位國家環(huán)境光催化工程技術(shù)研究中心有了更加深入的了解，進入導(dǎo)師的課題組后才對師兄實驗的光催化的內(nèi)容有了真正的認識，當今世界能源與資源問題已被提上日程，需要通過科技手段來開發(fā)新能源，課題組的項目就是圍繞CO2的還原展開的。CO2是隨處可得的物質(zhì)，實驗就是希望在可見光的條件下，通過光敏催化劑將CO2還原成CO，CO就是人們生活中使用的煤氣的主要成分。探索的就是光敏催化劑的性能、還原效率。當今世界在這個領(lǐng)域上的研究已經(jīng)初有成果，但是還處在理論及實驗室的的規(guī)模上，還不能達到工業(yè)化的水平。同時，在這三周里，是在師兄的指導(dǎo)下進行實驗的部分，進行了合成的一些基本操作，雖然內(nèi)容不難，但為后期的畢業(yè)論文打下了堅實的基礎(chǔ)。實習出勤情況（全勤、缺勤次數(shù)等）指導(dǎo)教師評語徐