Ag/Al2O3粉体复合材料物相表征与反应合成机理的第一性原理热力学计算

作     者：胡明钰 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈敬超;于杰

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Ag/Al2O3 复合材料 原位反应 物相表征 第一性原理 反应合成机理 计算热力学 

摘      要：Ag/Al203粉体复合材料在工业催化领域具有广泛的应用前景。其已经广泛的应用于催化烯烃的环氧化,是工业制备环氧乙烷、环氧丙烷不可缺少的催化剂;Ag/Al2O3粉体复合材料的合成制备方法很多,本文在前人基础上,重点对利用原位反应合成方法制备的Ag/Al2O3粉体复合材料的物相进行表征,并利用第一性原理计算探讨了其原位反应合成机理,为原位反应合成的Ag/Al2O3粉体复合材料的应用奠定基础。利用钨灯丝扫描电子显微镜、场发射扫描电子显微镜及其能谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、高性能全自动化学吸附仪等对采用原位反应合成方法制备的Ag/Al2O3粉体复合材料的物相进行了表征,并在酸洗实验基础上,对其氧吸附、脱附性能进行了初步探究。结果显示:600℃为Ag/Al2O3粉体复合材料的最佳氧化热处理温度,该温度下制备的复合材料有大量单质Ag析出物,并且粉体颗粒分为壳层与核,其中壳层中分布着呈团簇状,大小在300-400nm的单质Ag析出物,但单质Ag并未突出Al203表面;酸洗可有效的将单质Ag裸露,裸露的单质Ag大小在50-100nm,其上的吸附氧在395℃与510℃脱附,两脱附温度均高于实际应用的Ag/α-Al2O3催化剂上的氧脱附温度;虽然就目前的结果来看原位反应合成的Ag/Al2O3复合材料离实际应用仍有一定的距离,但若能在反应合成制备阶段控制好粉体颗粒大小、析出单质Ag的大小与分布以及粉末的彻底氧化程度,采用原位反应合成并酸洗的方法制备的Ag/Al2O3粉体复合材料将具备相关催化特性,并应在稳定性方面优于普通方法制备的催化剂,且有可循环利用的潜力。利用CASTEP程序对AgAl合金氧化过程中可能出现的Ag3Al、AgAlO2、Ag2O以及反应物与产物中的Ag2Al、含Ag的Al固溶体、A12O3、单质Ag进行了第一性原理计算。通过分析各物相晶格常数、结合能、布居数、电子态密度等得出以下结论:三种氧化物模型的稳定性顺序为Al2O3AgAlO2Ag2O;五种AgAl中间相模型的稳定性顺序为 Ag2Al-NeumannAg2Al-HoweAg3Al-1Ag3Al-4Ag3Al-8;六种固溶体模型的稳定性顺序为 63Al1Ag47Al1Ag31Al1Ag15Al1Ag7Al1Ag3Al1Ag。通过分析O原子在单质Al和Ag2Al中的晶体结构变化、固溶能等,可以得出:即使单质Al中O浓度高于Ag2Al,O原子也更容易固溶于单质Al中,即单质Al比Ag2Al更容易氧化。利用CASTEP程序的热力学性质计算并结合传统的热力学计算方法与数据,建立了一套计算固态物质热力学参数(AH、T*S、△G)关于温度函数的方法,在分析了该方法数据可靠性的前提下,利用该方法所得的热力学数据,对AgAl合金的氧化机理,即Ag/Al2O3粉体复合材料的反应合成机理进行了探究。结果如下:含Ag的Al固溶体并不是直接氧化生成Ag与A12O3,而是要先反应生成中间相Ag2Al;Ag2Al将直接氧化为Ag与Al2O3,而不形成中间相Ag3Al高温相;含Ag的A1固溶体将比Ag2Al先氧化,且其浓度越高,氧化越容易进行;三元相AgAlO2不会生成。