資源描述:
《硅基介孔材料的合成機(jī)理及其應(yīng)用》由會員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。
1、第28卷第1期河北理工學(xué)院學(xué)報Vol128No112006年2月JournalofHebeiInstituteofTechnologyFeb.2006文章編號:100722829(2006)0120075205硅基介孔材料的合成機(jī)理及其應(yīng)用張愛菊,沈毅,李子成(河北理工大學(xué)材料學(xué)院,河北唐山063009)關(guān)鍵詞:介孔材料;機(jī)理;應(yīng)用摘要:對近年來介孔材料的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。就介孔材料的主要合成機(jī)理,即液晶模板機(jī)理、棒狀自組裝模型、協(xié)同作用機(jī)理和電荷密度匹配機(jī)理等進(jìn)行了簡要介紹,對介孔材料在催化、環(huán)境、生物、光學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié),并對未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。+
2、中圖分類號:TQ050.47文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1992年,美孚(Mobil)公司的研究人員用表面活性劑液晶模板法合成出了結(jié)晶硅酸鹽/硅鋁酸鹽介孔分[1,2]子篩系列材料M41S,該系列材料包括六方狀的MCM-41、立方狀的MCM-48和層狀的MCM-50等,2其孔道呈規(guī)則排列,孔徑在1.5~10nm范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié),具有巨大的比表面積(1000m/g)和良好的熱及水熱穩(wěn)定性。該材料的出現(xiàn),將沸石的微孔規(guī)則半徑擴(kuò)展到了介孔區(qū)域,使沸石中難以完成的大分子催化、吸附和分離等過程變?yōu)榭赡?顯示出廣闊的應(yīng)用前景。1介孔材料的合成硅基介孔材料的合成一般需要水、表面活性劑、硅源和催化劑等四種基本物質(zhì)。
3、表面活性劑主要有烷基銨類陽離子表面活性劑,中性長鏈有機(jī)胺及聚氧乙烯型非離子表面活性劑,其中以烷基銨類陽離子表面活性++劑最為常用,如CnH2n+1(CH3)3N,在8≤n≤22時均可以形成介孔材料,而[C16H33(CH3)3NBr(簡稱CTAB)則被廣泛用于制備各種介孔材料及有機(jī)/無機(jī)復(fù)合物。硅源包括有機(jī)硅源和無機(jī)硅源,前者如正硅酸乙酯,正硅酸甲酯等醇鹽;后者如水玻璃,白炭黑等。催化劑為酸或堿,用于調(diào)節(jié)溶液的pH值,促進(jìn)水解和自組裝作用的進(jìn)行。介孔材料的合成,其目的是為了使表面活性劑和無機(jī)源發(fā)生界面反應(yīng),通過某種協(xié)同或自組裝方式形成由無機(jī)離子聚集體包裹的規(guī)則有序的膠束組裝體,以獲得
4、規(guī)則有序的介孔材料。材料合成過程雖基本一致,但因?yàn)楦鞣N因素,如表面活性劑、硅源、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)pH值、反應(yīng)時間及濃度等的不同,可合成不同結(jié)構(gòu)的介孔材料。2介孔材料的結(jié)構(gòu)分類介孔材料由于是在水溶液中合成的,因此許多工藝參數(shù),如表面活性劑的種類及用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間以及體系的pH值等,都會影響其微觀結(jié)構(gòu)。至今,已有多種結(jié)構(gòu)、多種元素(包括元素?fù)诫s和非硅分子篩)的介孔材料被制備出來。[1,2]最常見的介孔材料是MCM系列,是Mobil公司的研究人員開發(fā)的系列分子篩,其硅基介孔材料部分即M41S系列,包括三種結(jié)構(gòu):六方相的MCM-41;立方相的MCM-48和層狀結(jié)構(gòu)的MCM-50,其結(jié)
5、構(gòu)示意圖如圖1所示。其中MCM-41材料的結(jié)構(gòu)最具有特色,是目前研究較多的一種結(jié)構(gòu)類型。收稿日期:2005205227作者簡介:張愛菊(1981-),女,河北衡水人,河北理工大學(xué)材料學(xué)院碩士生。76河北理工學(xué)院學(xué)報第26卷(a)MCM-41;(b)MCM-48;(c)MCM-50圖1三種典型的孔材料結(jié)構(gòu)示意圖除了以上三種常見系列結(jié)構(gòu)外,又合成了一系列不同結(jié)構(gòu)的介孔材料,其中還有SBA-n系列,MSU系列,HMS,APMs和FSM-16等結(jié)構(gòu)類型。3介孔材料的合成機(jī)理表面活性劑模板與無機(jī)物之間通過協(xié)同自組裝是形成介孔材料的主要原因。為解釋介孔材料的的形成機(jī)理即表面活性劑和無機(jī)物之間的相
6、互作用,人們提出了多種作用合成機(jī)理。其中有代表性的有以下四種:液晶模板機(jī)理、棒狀自組裝機(jī)理、協(xié)同作用機(jī)理和電荷密度匹配機(jī)理。3.1液晶模板機(jī)理(Liquidcrystaltemplatingmechanism,簡寫為LCT)[3]這個模型是由Beck等首先提出的。他們認(rèn)為具有雙親基團(tuán)的表面活性劑(如CTMAB)在水中達(dá)到一定濃度時可形成棒狀膠束,并規(guī)則排列形成液晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)硅源物質(zhì)加入時,通過靜電作用,硅酸根離子可與親水的帶電表面活性劑離子相結(jié)合,并附著在有機(jī)表面活性劑膠束的表面,并在其表面上形成無機(jī)墻,兩者在溶液中共同聚沉,產(chǎn)物經(jīng)水洗、干燥、煅燒除去表面活性劑,只留下骨架狀規(guī)則排列的
7、硅酸鹽網(wǎng)絡(luò),從而得到介孔MCM-41材料,其合成過程的示意圖如圖2所示。(1)溶致液晶相促成;(2)硅酸根陰離子促成圖2MCM-41介孔材料合成機(jī)理示意圖在模型中,他們又提出了兩種可能的合成途徑:一是六方有序排列的表面活性劑液晶結(jié)構(gòu)在硅源物質(zhì)添加之前已形成,硅源物質(zhì)一步步充填在膠束周圍,如圖2中途徑(1)所示;二是由于硅源物質(zhì)的加入導(dǎo)致了棒狀膠束的形成并經(jīng)過自組裝進(jìn)行六方排列,然后與硅源物質(zhì)結(jié)合,如圖2中途徑(2)所示。實(shí)際上,在他們的實(shí)驗(yàn)中,表面活性劑濃