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摘 要

通过将活性炭（AC）与Keggin型多酸进行简单的共价结合可以合成以活性炭（AC）为基底的多金属氧酸盐（POM）[1]。一方面，通过氧化作用在酸溶液中对活性炭进行预处理，使羧酸基团之类的氧化基团与活性炭共价结合[2]。另另一方面，利用带正电荷的聚（二烯二甲基氯化铵）（PDDA）聚电解质来粘结带负电荷的多金属氧酸盐和AC。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）来研究合成的复合材料的组分。本文将着重研究两种简单有效的方法：（1）在碳表面进行化学吸附和（2）层层自组装法[3]。

关键词：复合材料 活性炭 化学吸附 层层自组装

Fabricating C-H₃PMo₁₂O₄₀ nanocomposites by activated carbon

Abstract

Activated carbon (AC)-based polyoxometalates (POMs)-functionalized nanocomposites were synthesized by simply functionalizing AC with Keggin-type POMs. On one hand，the well developed protocol for the pretreatment of the AC through oxidation in an acid solution has enabled the AC to be covalently functionalized with oxygenated groups such as carboxylic groups. On the other hand，the positively charged polyelectrolyte poly (diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) was introduced to assemble negatively charged POMs and AC. The composition was investigated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). This report will focus on two straightforward and effective techniques: (i) chemisorption on carbon surfaces, and (ii) layer-by-layer (LbL) self-assembly.

Key Words：nanocomposites；Activated carbon；chemisorption；layer-by-layer self-assembly

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 3

第一章 绪论 1

1.1 复合材料 1

1.2 活性炭 1

1.2.1 活性炭的结构 1

1.3 磷钼酸 2

1.4 聚二烯二甲基氯化铵 4

第二章 实验原理 5

2.1 化学吸附法 5

2.1.1 活性炭的酸化 5

2.2 层层自组装法 6

2.3 红外光谱的原理和测试 6

2.3.1 红外光谱的原理 6

2.3.2 红外光谱的测试 7

第三章 C-H₃PMo₁₂O₄₀复合材料的制备 9

3.1 实验原料与实验仪器 9

3.2 实验方法 9

3.2.1 化学吸附法 10

3.2.2 层层自组装法 10

3.3 磷钼酸的红外特征峰 11

第四章 实验结果与讨论 12

4.1化学吸附法实验结果与讨论 12

4.1.1 磷钼酸与活性炭的质量比对吸附效果的影响 12

4.1.2 磷钼酸和活性炭混合后的搅拌时间对吸附效果的影响 13

4.1.3 温度和搅拌时间对硝酸处理活性炭的影响。 15

4.1.4 PDDA对吸附效果的影响 16

4.2 层层自组装法实验结果与讨论 17

第五章 实验结论与展望 19

参考文献 20

第一章 绪论

1.1 复合材料

复合材料是由两种或两种以上的材料，利用物理或化学的方法，通过一定的工艺而形成的具有新性能的材料。事实上，单一的某种材料的性能通常都会有不足的地方，所以在实际应用中一般都是多种材料复合在一起使用的。

复合材料包含以下三层意义：

①它是一种多相材料，包含两种或两种以上不同的材料。

②它可以通过某种工艺将几种不同的材料混合在一起，形成复合材料。

③它的性能应该比组成它的单个材料的性能都要好，而且会具有一些它的组分材料均不具有的特殊性能。

复合材料是由基体、增强剂组成的多相材料。按基体的分类可将复合材料分为：聚合物基复合材料；金属基复合材料；无机非金属基（陶瓷基、玻璃基、水泥基）复合材料。本实验所采用的活性炭基体材料也是属于无机非金属基的一种。在复合材料中，凡是能提高基体材料的机械性能、弹性模量等力学性能的材料称为增强材料。此外，增强材料还能降低收缩率，提高热变形温度，并赋予了复合材料在热、电、磁等方面的新的性能。

1.2 活性炭

1.2.1 活性炭的结构

活性炭的主要成分是碳，结构比较复杂，一般认为其是由碳微晶（类似于石墨）按“螺层形结构”排列，并且具有发达的空隙结构。

微晶结构

微晶结构活性炭也称为无定型碳。研究表明，无定型碳结构中含有石墨微晶，这些微晶是尺寸为1 ～ 2 nm的结晶。石墨微晶的结构类似于石墨的二维结构，但是又与石墨不同，一般将活性炭中的结构称为乱层结构。

微晶间有两种不同的排列方式:一种是基本整齐的结构，称为易石墨化炭；另外一种是杂乱的排列，称为难石墨化碳。

空隙结构

活性炭的比表面积很大，而这正是其空隙结构所提供的。按照尺寸大小可以将空隙分为三种：大孔，中孔和微孔。在活性炭中，大孔的内表面能发生多层吸附，但由于其比例很少，所以绝大部分只能作为被吸附质进入吸附部位的通路。但它支配着吸附的速度，因此在实际应用中也起着非常重要的作用。中孔的作用并不是单一的。在许多情况下，中孔和大孔作用相同，起着作为被吸附质进入吸附部位的通路作用。此外，中孔也对不能进入微孔的大分子起着吸附部位的作用。微孔是活性炭的主要吸附作用部分，它支配着整个活性炭材料的吸附量。微量的质量损失所生成的微孔就能提供非常大的比表面积，而比表面积正是衡量活性炭性能的一个关键性的指标。

当然，活性炭的吸附能力与其孔径结构和被吸附物的分子尺度也是有关的。当分子尺度大于孔径时，分子无法进入孔隙，此时孔径不起吸附作用。当分子尺度近似等于孔径时，活性炭对吸附分子的捕捉能力非常强，这种情况更适用于低浓度下的吸附。当分子尺度小于孔径时，分子会在孔内发生毛细凝聚，因此吸附的量很大。当分子尺度远远小于孔径时，分子很容易发生脱附。由此可见，只有当活性炭的孔径与吸附分子尺度相当或孔径尺寸大于分子直径时才能获得较好的吸附效果[4]。

1.3 磷钼酸

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