论文总字数：19957字

摘 要

阳极氧化铝（Anodic Alumina Oxide, AAO）技术，因其拥有的金属自生长膜，被期待为是可以解决整体式催化材料的催化剂涂层剥落这一瓶颈的关键技术。然而现有的关于AAO催化材料，孔道结构单一，比表面积较小等缺陷，限制了其在催化反应中的应用。多孔阳极氧化铝（PAA）模板在制备纳米材料、光谱材料、磁性材料、生物传感材料、太阳能电池材料等领域有着极为广泛的应用。实现多孔阳极氧化铝模板的孔径、孔间距、氧化层厚度等参数的可控制备是获得最佳性能材料的关键。

本文是以草酸为电解液，通过改变电压、时间、草酸浓度、电解液温度的方式，制备了具有不同形貌的PAA，进行SEM、XRD等一系列表征，通过分析以上因素对纳米孔的影响，探讨纳米孔的形成机制，以便实现水热反应的可控性，使PAA更好的作为催化剂载体，实现兼具大比表面积和大孔道结构的目标。

通过本文研究表明，有序多孔结构的特征与氧化条件存在一定的量化关系，

根据量化关系，调节氧化条件可以得到不同孔道结构，这为实验制备多样AAO 膜孔道结构提供了较好的量化支持。

关键词：阳极氧化铝 阳极氧化 催化材料 孔道结构 膨胀率

Microscopic ordered pore structure of porous anodic aluminum oxide catalytic material

Abstract

The study of ordered micro pore structure of catalytic porous anodic alumina materials.Due to its in-situ growth membrane, AAO technology has been expected to solve the catalysts layer delamination problem for the monolith catalysts. However, the AAO is limited to the catalytic application, for its low surface area,pore structure unitary and etc. Porous anodic alumina (PAA) template has a very wide range of applications in the field of nanomaterials, spectral, magnetic material, biological sensing materials and solar cell material. Controllable preparation aperture, hole spacing, oxide thickness and other parameters is essential for optimum performance of the material to achieve the porous anodic alumina template.

With the oxalic acid as the electrolyte, a series of AAO with different morphologies was prepared at different voltage, time, oxalic acid concentration and electrolyte temperature. Exploring the formation mechanism of nanopore by analyzing the above factors on the nanopore based on BET,SEM and TEM to achieve controllable hydrothermal reaction, so that PAA can be a better catalyst support with both high surface area and large pore structure.

As a conclusion of this study, the relationship between pore structure and anodization condition was found. Based on this relationship, various type of AAO could be prepared.

Keyword: Anodic Aluminum Oxide; Anodic oxidation; Catalytic materials;

Pore ​​structure ; Expansion

目录

摘要 I

Abstract II

第一章引言 1

1.1 整体式催化剂概述 1

1.1.1 整体式催化剂的结构及性能 1

1.1.2 整体式催化剂的特点 3

1.2 多孔阳极氧化铝概述 3

1.2.1 多孔阳极氧化铝的发展 4

1.2.2 AAO的结构模型 6

1.3 本文研究内容 8

第二章 AAO膜的制备及表征 9

2.1 实验原料与设备 9

2.2 AAO膜的制备过程 10

2.2.1 制备工艺流程 10

2.2.2 铝片预处理 10

2 去自然氧化层 11

2.2.3 阳极氧化过程 11

第三章 13

3.1 试验方案 13

3.2 结果与讨论 13

3.2.1 电压、时间对PAA模板的影响 13

3.2.2 浓度对PAA模板的影响 15

3.2.3 温度对PAA模板的影响 17

第四章 膨胀率的影响因素 19

4.1 实验部分 19

4.2 实验结果分析 20

4.2.1 温度对膨胀率的影响 20

4.2.2 电解液浓度对膨胀率的影响 21

4.2.3 电压对膨胀率的影响 22

4.2.4 时间对膨胀率的影响 23

第五章总结与展望 25

参考文献 26

致谢 30

第一章引言

1.1 整体式催化剂概述

为克服传统的颗粒状催化剂填充床反应器的热效率低、床层压降大、易粉化沉降、工程放大困难等缺点，并实现系统的快速启动和小型化，近年来整体式催化剂受到了高度关注。整体式催化剂是指，以具有规整均一的构件化结构的块状载体作为骨架基体的催化剂。其气流通道由数量众多直的(或弯曲的)、相互平行的、规则直通的狭窄孔道组成。根据基体的构造，主要有蜂窝状、平板/波纹平板状，泡沫状和交叉流动状等，其中蜂窝状的应用最为广泛。与传统的填充床反应器相比，整体式催化剂的构件化结构使它兼具催化剂和反应器的特点和性能，具有传质传热快、床层压降低、催化剂起燃迅速、床层粉化沉降少、反应器紧凑小型、工程放大简单等优点，正逐步成为传统多相固体催化剂的良好替代品。在环境大气污染控制、节能高效燃烧、化成品的合成，及传统化工过程的技术革新等诸多领域中具有广阔的应用前景。

1.1.1 整体式催化剂的结构及性能

整体式催化剂一般由载体、涂层和活性组分组成。

a载体

目前人们常用的整体式催化剂载体材料有耐高温的陶瓷和金属合金。陶瓷材料中常用的是堇青石(2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂)，由于堇青石的热膨胀系数几乎为零，在温度急剧变化的反应条件下仍能保持结构和机械性能的相对稳定，因而被广泛应用于汽车尾气净化转化器中，其它陶瓷材料如富铝红柱石、TiO₂等，则被开发用于其它反应过程。与陶瓷材料相比，金属材料具有优良的可延展性，因此易加工成孔密度较高的载体，使得压降更低；同时，由于金属载体具有良好的导热性、耐高温性等优点，近年来已逐步应用于摩托车尾气处理、VOC的氧化以及NOx的还原等领域^[1]。金属材料载体一般选用不锈钢或含铝的铁素体合金，金属基体整体式催化剂(Metallic Monolith Catalyst，MMC)具有诸多优点：1)较强的机械强度和抗震性；2)更薄的通道壁厚以及更大的断面开口率和几何比表面积，允许更小的床层压降和反应器体积；3)更低的比热容提供了出色的反应起燃性；4)良好的热传导性提供了优异的抗热冲击性；5)具有更高的可塑性。尤其是在强吸/放热催化反应中，MMC可大幅度强化吸/放热反应的直接耦合，在提高能量利用率、流程集成化和过程强化等方面，具有传统颗粒催化剂和陶瓷整体式催化剂无可比拟的优势。

整体式载体的外形一般为柱状，其横截面通常加工成圆形、椭圆形或方形。载体有许多小的平行孔道组成，孔道截面可以是六角形、环形、方形、三角形或者正弦曲线形。孔道间距E、孔道壁厚α以及孔的几何形状，决定了整体式载体的孔密度N和孔隙率ε也决定了整体式载体几何表面积Sc和水力直径DH，这些参数影响整体式载体的性能(图1-2)。

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