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介孔二氧化钛的合成及应用

介孔二氧化钛的合成及应用
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介孔二氧化钛的合成及应用

摘要介孔二氧化钛是一种多孔材料,它具有巨大的比表面积,发达的孔道结构,因而在光电转换领域,光催化降解,光催化制氢等环境能源领域表现广泛的应用前景而备受瞩目。目前,国内外对制备介孔二氧化钛材料的方法的研究主要集中在模板法制备,此外,还有非模板法等方法也有研究。

关键词介孔二氧化钛,光催化,模板法

1 前言

多孔材料,因具有空旷结构和巨大的表面积,而被广泛应用于催化剂和吸附载体。按孔径的大小,多孔材料可分为:微孔材料(孔径<2nm),介孔材料(孔径2~50nm),大孔材料(孔径50nm~1μm)和宏孔材料(孔径>1μm)等。按材料的结构特征,多孔材料又可以分为三类:无定形、次晶和晶体。介孔材料因孔径范围较大,存在着孔道形状不规则、孔径尺寸分布范围大等优点,是良好的催化剂载体[1]。

介孔TiO2包括有序、无序两大类,其中有序介孔材料又分为纳米量级和宏观尺度两类。因其具有高比表面积,发达有序的孔道结构,孔径尺寸在一定范围内可调,表面易于改性等特点,可以有效地增强TiO2光催化、光电转换等功能,使其在水处理、空气净化、太阳能电池、纳米材料微反应器、生物材料等方面表现出广阔的应用前景而备受瞩目。为科学家从微观角度研究纳米材料的尺寸效应、表面效应及量子效应等性能提供了物质基础[2]。

2 影响介孔材料孔径大小的因素

介孔材料的合成过程中一个关键参数是孔径大小及尺寸分布,孔径大小的控制及影响因素一般包括以下几个方面[2]。

1) 表面活性剂碳链的长度,孔径大小的粗略控制可通过调节表面活性剂的碳链长度来达到。因为表面活性剂的碳链越长,形成棒状胶束时直径越大,若碳链大于l8,表面活性剂溶解度下降,故较少用于介孔材料的制备。

2) 辅助有机物的添加,通过添加憎水性有机物,可将辅助有机物进入表面活性剂胶束的憎水基团内部,使胶束的直径变大,达到增加介孔材料尺寸的目的。此类有机物一般包括饱和链烷烃、芳香烃、醇类。当然,表面活性剂不同,合成过程的作用机理和合成介孔材料的性能可能是有差异的。

3) 合成过程的影响,一般合成过程包括反应时间、温度、溶液的组成、表面活性剂和共溶剂种类、pH值、表面活性剂的萃取条件及煅烧条件等。

比如在碱性溶液中,反应物在进行分段热处理时,介孔材料在壁厚和稳定性不变的

前提下,其孔径明显增大;水热碱性条件比室温碱性条件下合成的介孔材料具有更大的孔径尺寸和更小的孔径分布范围。

此外,无机前驱物的类型及其水解和缩聚反应的动力学,反应物加料顺序,合成方法,合成后处理以及脱除模板剂的方法等对产物的结构和性能都有影响。

2 介孔TiO2的合成方法

合成介孔的TiO2一般需要加入模板作为结构导向剂,通过模板剂的协同作用或分子装及无机前驱体与模板剂分子之间的相互作用,形成稳定的分子聚集体,然后模板经煅烧或溶剂萃取等被去除,形成介孔结构。

这就是模板法制备介孔TiO2,该方法制备的介孔材料比表面积大、孔径分布窄、易沉积于玻璃或石英表面形成透明的纳米膜。模板法可分为表面活性剂模板法和非表面活性剂模板法,非表面活性剂模板法法又分为胶态晶体模板法,乳液模板法等。此外,还有自组装等非模板法[3,4]。

2.1表面活性剂模板法[5-7]

表面活性剂在高于临界胶束浓度时,在溶液中随浓度的不同可形成球状、柱状、层状或六方等高度有序结构的胶束,为形成介孔结构提供了空间上的模板。若与无机反应体系混合时,模板剂同无机物分子相互作用,使无机反应中间体在反应过程中沿模板定向排列,形成有序结构。对于离子型表面活性剂,表面活性剂与无机粒子界面间的电荷匹配原则控制着组装过程和最终结构,而对于中性表面活性剂,起控制作用的是表面活性剂与前驱体之间的氢键或共价键。

用于合成介孔TiO2材料的表面活性剂主要包括磷酸盐、季铵盐等离子型表面活性剂,以及长链伯胺、聚氧化乙烯、嵌段共聚物等非离子型表面活性剂。

以磷酸盐作模板剂时,磷与TiO2介孔结构结合紧密,用煅烧或溶剂萃取很难去除,残余的磷易使介孔TiO2催化活性中心中毒,影响其催化活性。

以季铵盐表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)和苄基三甲基氯化铵(BTAC)为模板剂,在乙醇中水解Ti(n-C4H9O)4,凝胶化过程中形成表面活性剂吸附在凝胶颗粒表面的中间结构,煅烧去除模板后得到柱间距10nm、柱状孔道的TiO2介孔膜,以CTAC 和BTAC作模板剂形成的介孔孔径分别为10nm和5nm,表面活性剂浓度、分子大小及其形成胶束的大小等因素对介孔形貌有着重要的影响,十六烷基三甲基溴化铵也是很好的季铵盐类表面活性剂模板剂。

2.2 非表面活性剂模板法

大多数情况下表面活性剂模板法得到的介孔分子筛不够稳定。因此,也有人研究了

胶态晶体模板法,乳液模板法等非表面活性剂法。

1) 胶态晶体模板法

胶态晶体是一种具有三维周期性结构的物质,可通过增大胶粒的体积来获得,也可以聚合物薄膜为模板,将微粒缓慢沉降在上面而获得了胶态晶体。先用乳液制备而成的胶态晶体为模板,并采用原位官能化的方法诱导Ti02微粒进行聚合生长,制得了多孔的、有序生长的TiO2材料。

2) 乳液模板法

乳液体系是一个包含有水、有机物及表面活性剂的热力学稳定的混合胶束体。由于其分散相的尺寸在纳米数量级,因而表现出宏观均匀性。乳胶束具有高度的变形性,这可以使无机凝胶在陈化和干燥阶段不至于出现因为体积收缩而造成的开裂或破碎现象,同时乳液为液相,完成为模板任务后很容易清除。

2.3 非模板法

大多数情况下模板法得到的介孔材料,因其介孔结构往往会因模板剂的去除而遭破坏,而且模板剂去除不完全还会减小介孔的比表面积,对材料的性能有重要的影响,所以,也有很多的学者研究了非模板法制备介孔TiO2材料。

Jimmy等不用传统模板剂,而由超声诱导凝聚法快速合成了高光催化活性的介孔TiO2。他首先将异丙醇钛在超声下水解生成单分散溶胶颗粒,加入羧酸控制水解速度,然后在高强度超声作用下控制溶胶纳米颗粒的凝聚,形成螺旋状孔结构,孔径分布窄的介孔TiO2。该方法合成的介孔TiO2壁较厚,具有高温(673K)热稳定性等优点,但其结构缺少长程有序性。

Takenaka等用钛醇盐与不同烷基链的羧酸(CH3(CH2)nCOOH,n=0~20)制备了孔径可调的介孔TiO2。当n

4 介孔TiO2材料的应用

目前介孔TiO2材料在光催化剂,太阳能电池电极等方面有着重要的应用,如催化剂载体,环境保护和电极材料等领域有广泛的用途[7-10]。

4.1 电极膜材料的应用

由于介孔TiO2具有稳定、无毒、易成膜的性能,成为选择最多的半导体电极膜材

料。染料敏化的介孔TiO2太阳能电池较传统的固态电池而言,经济且高效。

在染料敏化电池中,TiO2的介孔结构对吸收太阳光起着重要作用,可有效增大电极感光度。吸附的染料经光激发引发染料和电解液(碘化物/三碘化物) 的连续氧化还原反应,使光能转化为电能。选择染料可使太阳能电池转换效率达到普通电池的几百万倍。用钌-联吡啶衍生物(cis-bis(4,4-二羧基-2,2’二吡啶)bis(氰硫基)钌)作光敏剂,阴极负载TiO2 介孔膜的染料增感化学电池,由于TiO2介孔膜具有很大的内表面积,在整个可见光区和近紫外区都有明显的光吸收,且使光引发的电荷定量分离在几飞秒之内完成,这种新型太阳能电池的光电转化效率可达35%。

4.2 光催化剂的应用

资源环保领域的研究越来越受到人们的重视重视,随着人类文明的发展,人们已经开始注重开发绿色催化工艺和环境治理。近年来,有序介孔TiO2材料作为光催化剂用于降解有机废物和有害气体有着广泛的研究。

介孔TiO2比纳米TiO2 (P25)具有更高的光催化活性,这是因为介孔结构的高比表面积增加了表面吸附的水和羟基,水和羟基可与催化剂表面光激发的空穴反应产生羟基自由基,而羟基自由基是降解有机物的强氧化剂。此外,介孔结构更利于反应物和产物的扩散。Dai等合成的纯TiO2介孔分子筛Ti-TMS对污染物具有较高的光催化降解作用,可完全降解2,4,6-三氯酚。Jimmy等通过对空气中丙酮的光氧化反应证明介孔TiO2薄膜比纳米TiO2(P25)薄膜具有更高的光催化活性。Saadoun等的实验表明,介孔TiO2在空气中、光照条件下能完全氧化甲醛。在介孔TiO2中选择性掺杂是改善其半导体光活性的有效方法之一,在介孔TiO2中掺杂Ag不但能增大可见光催化降解染料的效率,还能从照相废弃物中回收Ag。

孔壁的化学性质、介孔形貌、合成中反应条件等因素对介孔TiO2的光催化活性均有影响。

4.3 其它方面的应用

介孔TiO2除可作光催化剂、电极膜材料外,表面用介孔TiO2膜修饰的石英晶微量天平可测量粘度未知液体的密度,误差为±0.02g/cm3。Frindell等合成了掺杂Eu的立方介孔TiO2薄膜,这是一种发光材料,其墙体为TiO2的锐钛型纳米晶嵌入无定型点阵中,Eu嵌入无定型区,独特的两相墙体结构可负载较多的Eu离子而不会减弱其发光性。介孔TiO2掺杂后仍能保持其结构和高表面积,湿稳定性等性质的特性拓展了三维有序介孔材料在电子、磁、光学等方面的应用领域。

此外,介孔TiO2在催化剂载体、化学传感器等方面有望发挥更大的作用。

4 结语

介孔材料的优良的孔道机构是使其得到广泛的应用并迅速发展的巨大推动力。作为一种新型材料,介孔TiO2的研究已经取得了很大的进展,如何有效地改善介孔TiO2的微观结构,性能得到有效地提高,介孔的功能化,大孔化,多维孔道结构化是今后介孔TiO2材料的重要的发展方向,目前还有很多问题有待进一步解决,只有不断优化介孔TiO2材料的性能,才能在提高材料化学传感器、可控释放包埋材料,功能有机分子封装薄膜中具有光、电、磁等特殊性质的材料等应用的开发价值。

参考文献

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有序介孔材料的发展和面临的挑战

有序介孔材料的发展和面临的挑战 霍启升 吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室,中国吉林长春,邮编:130012 E-mail: huoqisheng@https://www.doczj.com/doc/5514167756.html, 摘要 简要介绍有序介孔材料的发现和发展历史,讨论合成、结构、应用等方面所面临的挑战。 有序介孔材料 有序介孔材料是指孔道规则且有序排列的介孔材料,早在1971年介孔材料的合成工作就已开始,日本的科学家们在1990年之前也已通过层状硅酸盐在表面活性剂存在下转化开始介孔材料合成,1992年Mobil的报导才引起人们的广泛注意,并被认为是介孔材料合成的真正开始。Mobil 使用表面活性剂作为模板剂,合成了M41S 系列介孔材料,包括MCM-41(六方相)、MCM-48(立方相)和MCM-50(层状结构)。 经过近二十年的全球性科学家的团结努力和辛苦工作,介孔材料的研究工作发展极快,并且成效显著,涉及到合成、结构、性质、应用等各个方面,参与研究的科学家专业分布极其广泛,介孔材料研究是近年来少有的受人瞩目且快速发展的研究领域。 有序介孔材料的优势 有序介孔材料的优势在于材料的独特的介孔结构(均一孔道尺寸及形状、高比表面、大孔体积)和合成过程简单,合成可重复,原料价格低廉,容易直接合成各类等级的可控结构,如薄膜、粉末、块体、微球、纤维、纳米级材料、各种微观形貌。介孔材料的组成容易多样化,易掺杂。尤其是二氧化硅基材料,表面羟基反应活性高,容易用各种有机基团修饰。 合成化学与结构及性质的研究 起初介孔材料的合成化学的研究以介孔二氧化硅材料为主,后来被开展到其它组成。合成机理的研究也是以二氧化硅体系为主要对象,根据不同的合成条件及体系,主要生成机理包括:从层状结构的转化、无机-有机静电作用、表面活性剂分子堆积参数的主导作用的协同自组装、真正液晶模板。 在上述机理的指导下,介孔材料合成工作迅速展开。材料组成从硅酸盐系列扩展到非硅酸盐无机系列,后来又到有机-无机杂化材料、有机材料、碳材料。典型的硅酸盐系列材料的骨架为无定形的,具有沸石结构单元的预合成的微粒或晶体可以被用来组成介孔材料的骨架,而有些易结晶的氧化物的介孔材料在合成过程或后处理过程中直接晶化导致介孔材料的骨架含有纳米级晶体。模板剂也从最初简单的阳离子表面活性剂扩展到复杂的阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、高分子聚合物、阴离子表面活性剂,甚至各类非表面活性剂。新模板方法的开发,新合成原料(前驱物)和表面活性剂的选择和组合等仍有许多研究工作需要完成。 合成方法也多样化,如evaporation induced self-assembly (EISA)(常被作为合成薄膜材料的首选方法),多种合成策略的运用(如硬模板的应用)。今后介孔材料合成在很大程度上应该从有机合成、高分子聚合、大分子及生物分子的自组装,以及固体材料合成借鉴更多的方法与策略。 典型材料从M41S材料发展出包括SBA系列、FDU系列、KIT系列等等。介孔材料的结构也从最初的二维六方相(MCM-41)和立方相(Ia3d,MCM-48)扩展到几乎所有可能的介观结构:p6mm,

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纳米TiO2的制备与应用

1.1纳米材料概述 纳米材料是指其结构单元的尺寸介于1纳米~100纳米范围之间的材料。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光的波长,因此其所表现的特性如具有量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等。从而使得熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米材料是20世纪80年代中期研制成功的,后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。而现在,纳米材料已经渗透入医药化工、电子计算机和电子工业、环境保护、纺织工业、机械工业等多个领域,展现了其非凡的特性和广阔的发展的前景[1-13]。 二、纳米材料的发现和发展 1861年,随着胶体化学的建立,科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。 1959年12月29日理查德?费曼(Richard Feynman)在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲。虽然没有使用“”纳米这个词,但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。 1963年,Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒,并对其进行了电镜和电子衍射研究。 1984年德国萨尔兰大学(Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒子直径为6nm的铁粒子原位加压成形,烧结得到了纳米微晶体块,从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。 1974年日本教授谷口纪男(Norio Taniguchi)在一篇题为:“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米(Nano)。 1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议 (International Conference on Nanoscience&Technology),正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。 自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来,从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段: 第一阶段(1990年以前):主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体,研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能;研究对象一般局限在单一材料和单相材料,国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。 第二阶段(1990~1994年):人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性,设计纳米复合材料,复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材

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有序介孔材料

有序介孔材料 姓名: 班级: 学号: 专业:

摘要: 有序介孔材料是上世纪90年代迅速兴起的新型纳米结构材料,它一诞生就得到国际物理学、化学与材料学界的高度重视,并迅速发展成为跨学科的研究热点之一。由于其具有大的表面积和相对大的孔径以及规整的孔道结构,介孔材料在催化、储能和分离吸附领域有独特的应用地位。以下我将主要从有序介孔材料的背景特点、有序介孔材料的应用以及未来展望来介绍一下有序介孔材料。 关键词:有序介孔材料、催化领域、储能、分离吸附 一、有序介孔材料的背景及特点的简介 定义:有序介孔材料是以表面活性分子聚集体为模板,通过有机物与无机物之间的界面作用组装生成的孔道结构规则、孔径介于2-50nm的多孔材料。 1、发展历史 1992年Mobil公司的科学家首次报道合成了MCM(Mobil Com- position of Matter)-41介孔分子筛,揭开了分子筛科学的新纪元。1994年,Huo等在酸性条件下合成出APMs 介孔材料,结束MCM系列只能在碱性条件下进行的历史,拓展了人们对模板法合成介孔材料的认识。介孔材料合成的突破性进展是酸性合成体系中使用嵌段共聚物(非离子表面活性剂)为模板,得到孔径大、有序程度高的介孔分子筛SBA-15 。1996年Bagshaw等采用聚氧乙烯表面活性剂,N0I0非离子型合成路线,首次合成出介孔分子筛Al2O3。其表面积可达600 m2/g,去除模板剂后的热稳定性可达700℃。1998年Wei等首次以非表面活性剂有机化合物(如D-葡萄糖等)为模板剂制备出具有较大比表面积和孔体积的介孔二氧化硅。 2、有序介孔材料的合成 目前介孔材料的合成方法主要有硬模板法和软模板法。如下图1是软模板法,图2是硬模板法。

二氧化钛吸附研究及应用概述

二氧化钛吸附研究及应用概述 江默语 (昆明理工大学材料科学与工程学院,云南昆明 650093)摘要:近年来,随着理论计算方法的发展和计算能力的提高,以及纳米技术的发展,借助投射电镜等各种研究设备,人们对二氧化钛(TiO2)的了解逐渐加深。二氧化钛(TiO2)由于其具有的独特性质,开始在光催化、CO氧化以及太阳能电池等多个领域被广泛应用。尤其是对二氧化钛(TiO2)吸附以及催化特性的研究与应用,在环境污染治理、医学研究、化工等领域具有不可替代的作用。 关键词:二氧化钛,表面吸附,镉离子污染,有机物污染 Research and Applications of Titanium Dioxide Adsorption JIANGmo-yu (School of Materials and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650093, China) Abstract:Recently, with the development of theoretical calculation method, calculation ability and nanotechnology , scientists are getting to know more about Titanium dioxideunder the help oftransmission electron microscope. Titanium dioxide, due to its unique properties, is playing an important part in photochemical catalysis, oxidization of carbonic oxide and the development of solar cell. Specially,studies about externaladsorption andCatalytic properties of Titanium dioxide, is becoming more and more important in pollution administration, medical research, chemical industry and so on. Keywords: Titanium dioxide,externaladsorption, Cadmium ionpollution, organic pollution

有序介孔材料应用

T. J. Pinnavaia:采用非离子取代先前的CTAB或CTAC离子型表面活性剂合成了无序的介孔分子筛HMS与MSU G. D. Stucky:SBA-n系列分子筛篇篇都上Nature和Science,霍启升,赵东元,Yang Peidong。介孔材料的合成机理上(和霍一起干的),以及三篏段共聚物为模板合成水热稳定的介孔材料(和赵一起的,特别是SBA-15)。 Ryoo:韩国这边Kaist,介孔碳分子筛 介孔薄膜的合成:无疑sol-gel 的大师人物该出来说话了。其中Brinker C. J.和Sanchez C.无疑是最杰出的。Brinker搞有机硅的溶胶凝胶出来的,工作当然主要集中在介孔SiO2薄膜上 有序介孔材料直接作为酸碱催化剂使用时,能够改善固体酸催化剂上的结炭,提高产物的扩散速度,转化率可达90%,产物的选择性达100%。除了直接酸催化作用外,还可在有序介孔材料骨架中掺杂具有氧化还原能力的过渡元素、稀土元素或者负载氧化还原催化剂制造接枝材料。这种接枝材料具有更高的催化活性和择形性,这也是目前开发介孔分子筛催化剂最活跃的领域。 有序介孔材料由于孔径尺寸大,还可应用于高分子合成领域,特别是聚合反应的纳米反应器。由于孔内聚合在一定程度上减少了双基终止的机会,延长了自由基的寿命,而且有序介孔材料孔道内聚合得到的聚合物的分子量分布也比相应条件下一般的自由基聚合窄,通过改变单体和引发剂的量可以控制聚合物的分子量。并且可以在聚合反应器的骨架中键入或者引入活性中心,加快反应进程,提高产率。

在环境治理和保护方面用于降解有机废料,用于水质净化和汽车尾气的转化处理等。在高技术先进材料领域,用于贮能材料用于功能纳米客体在介孔材料中的组装。 国际上纳米领域:王中林,夏幼南,杨培东 1. 介孔材料的诞生--1992年MS41系列分子筛(典型的是MCM-41,MCM-48,MCM-50)的合成(严格来讲,应该是1991年日本人合成出来):Nature. 1992, 359, 710-712(J. S. Beck) J Am Chem Soc. 1992, 114: 10834-10843(J. S. Beck) Science. 1993, 261: 1299-1303(霍启升) 2.介孔材料制备的另一里程碑--1998年赵东元合成了SBA-15 Science. 1998, 279: 548-552(赵东元) J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 6024-6036 (赵东元) 3.通过硬模板法合成炭基介孔材料,也是一大重要成绩--1999年由韩国人刘龙完成: J Am Chem Soc. 2002, 124: 1156-1157( Ryoo R.) 介孔相关的几个牛人的课题组: https://www.doczj.com/doc/5514167756.html,/mrl/info/publications/(G. D. Stucky) https://www.doczj.com/doc/5514167756.html,/~pinnweb/(Thomas J. Pinnavaia) https://www.doczj.com/doc/5514167756.html,/staff/GAO/flashed/menu.htm(Ozin's group)https://www.doczj.com/doc/5514167756.html,/~dyzhao/(赵东元) http://rryoo.kaist.ac.kr/pub.html (韩国刘龙(R. Ryoo)) https://www.doczj.com/doc/5514167756.html,.sg/~chezxs/Zhao/publication.htm(新加坡赵修松Xiusong Zhao) http://www.ucm.es/info/inorg/inv... iones/2001/2001.htm (西班牙M. Vallet-Regi 首先把介孔材料应用到药物缓释) 因为以前不小心把自己的收藏夹弄没了,所以有还有几个课题组现在没有了链接,但是其课题负责人还是记得:台湾的牟中原和他的弟子林弘平;上海硅所的施剑林;吉林大学的肖丰收和裘式伦;大化所的包信和(涉及得不多) 推荐几篇介孔材料重要的综述: Chem. Mater. 1996, 8, 1147-1160 Surfactant Control of Phases in the Synthesis of Mesoporous Silica-Based Materials(Stucky和霍启升表面活性剂的堆积参数和结构的关系) Chem. Rev. 1997, 97, 2373-2419 From Microporous to Mesoporous Molecular Sieve Materials and Their Use in Catalysis(主要介绍介孔作催化载体的应用) Chem. Rev. 2006, 106, 3790-3812 Advances in the Synthesis and Catalytic Applications of Organosulfonic-Functionalized Mesostructured Materials

有机高分子有序介孔材料的研究现状

有序有机高分子介孔材料的研究进展及应 用前景 冯恩科091623 (同济大学材料科学与工程学院,上海201804) 摘要:有序有机高分子介孔材料是当前具有广泛应用前景的一类新材料,在分离提纯、生物材料、化学合成及转化的催化剂、超轻结构材料等许多领域有着潜在的用途,成 为了当今国际上的一个研究热点。本文阐述了有序有机高分子介孔材料目前的研 究进展,概述了介孔材料的分类、有序有机高分子介孔材料的合成方法、表征手 段,应用,展望了有序有机高分子介孔材料的应用前景。 关键词:有序有机高分子介孔材料合成方法表征方法应用 The research development and application prospects of polymericordered mesoporousmaterials FENG Enke 091623 (School of Materials Science and Engineering, Tongji University ,Shanghai 201804)Abstract:As a class of new materials ,polymeric ordered mesoporous materials , which possess current wide prospects for potential uses , such as separation and purification , biological material , chemical synthesis and conversion catalysts , the materials of ultra - light structure and many other areas , have become an international hot spot . In this article , the research development of polymeric ordered mesoporous materials is introduced. Many aspects of polymeric ordered mesoporous materials are outlined , such as classification , synthesis methods, characterizing methods , and applications. It is showed that the polymeric orderedmesoporous materials have wide applicationprospects. Key words:polymeric ordered mesoporous materials;synthesis methods; characterizing methods ; applications 1、前言 多孔材料的最初定义源自于其吸附性能,分子筛(molecular sieve) 即得名于此,McBain 于1932年提出,用于描述一类具有选择性吸附性能的材料。因此,通常以孔的特征来区分不同的多孔材料,国际纯粹和应用化学协会( IUPAC) 根据多孔材料孔径(d)的大小,把多孔材料分为三类,微孔材料(microporous materials ,d < 2 nm) 、介孔材料(mesoporous materials ,2 < d < 50 nm) 和大孔材料(macroporous materials ,d > 50 nm) ,而根据结构特征,多孔材料可以分为两类:无序孔结构材料(无定形) 和有序孔结构材料(一定程度有序) 。

酶在有序介孔材料上的固定化

84 CPCI 中国石油和化工 化工设计 酶在有序介孔材料上的固定化 焦志勇 (南京工业大学 江苏南京 211800) 摘 要:目前,对酶在有序介孔材料上的固定化研究取得了巨大进步,研究人员通过对酶在有序介孔材料上固定化的研究,发现了各种方法的优缺点及其在实践中的应用。这对石油的开采和利用具有重要的意义。具体分析石油受有序介孔材料固定化酶的活性及因素的影响,并分别讨论了这些因素,以促进酶在有序介孔材料上固定化的发展,进一步挖掘固定化酶潜在的应用价值,使之最大限度地为现代化石油工业服务。 关键词:有序介孔材料石油酶固定化 1 酶固定化的意义 酶广泛应用于各种领域,它是一种生物催化剂,具有很高的专一性。需在温和的条件下反应,具有很高的催化效率。但因游离酶自身的特点,其应用容易受到限制。它具有难以回收、稳定性差、不易循环利用和易混入产品等特点。经过实践表明,酶固定化后,酶的热稳定性和PH 稳定性会大大提高,在各种领域被广泛应用。因此,对酶在有序介孔材料上的固定化研究具有重要的现实意义,且发展前景广阔。 2 酶在有序介孔材料上的固定化概括 近几年,酶在有序介孔材料上的固定化有很多载体,常见的有:天然产物、凝胶、分子筛及树脂等。在物理和化学性质上面,无机载体比有机载体具有较大的优势。有序介孔材料是一种无机材料,具有很多优势,例如:它具有可以调变的孔径,化学稳定性高,成本低等特点。被广泛应用于各行各业。有序介孔材料的发现,使它作为一种新的载体,在酶的固定化方面具有很大的发展前景。 3 酶在有序介孔材料上的固定化方法 目前,酶在有序介孔材料上的固定化方法主要有3种,分别为:化学键合法、包埋法和直接物理吸附法。 3.1 化学键合法 有机集团能够在温和条件下,在载体表面上与酶反应,这是化合键合法固定化酶的前提。其中有机集团可以是:乙烯、羧基、氨丙基和环氧基等。通过后嫁接法和共聚合法这两种方法可以在有序介孔材料表面引入有机集团。后嫁接法的特点是:对有序介孔材料表面的修饰不均匀,外表面上有大量的修饰基,因此,将大量的酶固定到载体外表面上及孔道口处,会使更多的酶受到阻碍,不能进入有序介孔材料的孔道。 化学键合法固定化酶的优点是:固定化酶的操作稳定性大大提高了。有序介孔材料化学键合法固定化酶经过修饰后,对尺寸有一定的选择性。 3.2 包埋法 包埋法是指在有序介孔材料的孔道内部吸附酶分子,使孔口尺寸改变,且小于酶分子直径,从而达到在有序介孔材料孔道内将酶包埋在的目的。这种方法的使用,可以有效避免物理吸附方法中酶的脱落。 生物学家在缓冲剂溶液中放入MCM-41及胰蛋白酶,使酶吸附在载体上,在分离载体及溶液后,继而进行硅烷化修饰,修饰用的酶为3-氨丙基三乙氧基硅烷。这种方法的目的是减少孔口直径,使酶很难从载体孔道内流出。 经过研究发现,包埋法能够避免酶分子从孔道内流出,但对酶而言,由于硅烷化反应条件剧烈,酶会失去活性。此外由于有序介孔材料的孔道口直径减小,反应产物及底物出入孔道受到限制,从 而降低了固定化酶的活性。 3.3 直接物理吸附法 直接物理吸附法是指:将有序介孔材料和酶溶液充分接触,在载体上吸附到酶。这由于它主要依靠载体与酶之间的范德华力和静电吸引力,酶的结构不易受到影响,且不易破坏酶的活动中心和高级结构。因此,这种方法使酶的活性不易损失。但是,因为有较弱的酶固定化作用力,所以当温度、溶液离子强度和PH 值、及剧烈搅拌等条件改变时,酶分子很容易从有序介孔材料的载体上脱落。 通过对直接吸附在纯硅和SBA-15上胰蛋白酶的研究发现,酶极易从载体上脱落,在缓冲液中搅拌2小时后,有32%-35%的酶会脱落。 对酶在有序介孔材料上的直接物理吸附法的研究表明,酶的直接物理吸附对尺寸有一定的选择性。在有序介孔材料SBA-15上固定化粗脂肪酶,粗脂肪酶中含有脂肪酶和蛋白酶,最终发现在SBA-15上有90%的脂肪酶被吸附,但在载体上吸附的蛋白酶量仅为20%。此外,酶吸附在有序介孔材料孔道内,可以使酶的稳定性提高。 酶只有进入介孔材料的孔道内部,介孔分子筛的大孔容积和大比表面积才能被酶有效地利用。因为酶的吸附形式和吸附速度对酶的固定化效率有很大的影响,所以应加大对酶的吸附形式和速度的研究。 3.4 酶的其他固定化法 这种方法主要是将其他一些新型的固定化法与以上3种固定化方法结合起来。例如冷冻真空吸附法及先吸附再交联的方法等。冷冻真空吸附法与普通的方法相比,使固定化酶在载体上具有较高的吸附量、稳定性及活性。先吸附再交联的方法能有效地阻止酶从分子筛孔道内流出来,固定化酶不会因为溶液的剧烈搅动,而改变其活性。 4 总结 对有序介孔材料上的固定化酶的研究,大大提高了对石油的开采和利用效率。在石油、医药等方面具有广阔的发展前景,对我国的经济发展将产生重要影响。我们应加大对这种技术的研究,使它广泛应用于各种领域。有序介孔材料上的固定化酶在石油领域具有重要的研究价值。另一方面,因为载体与酶之间有多种相互作用力,这些作用力的有效利用,能提高载体上生物酶的附着力,从而使固定化酶的稳定性大大提高,在石油的开采和利用方面能起到举足轻重的作用。 参考文献:[1] 许云强, 有序介孔材料对脂肪酶的固定及对药物控释的研[J]山东轻工业学院学报.2009 [2] 田修营,何文,赵洪石等.介孔材料的研究进展及应用前景[J].山东轻工业学院学报.2008.

二氧化钛的形貌及其应用

- 1 - 第3期 2018年6月No.3 June,2018 TiO 2因其毒性低、价廉、耐强酸强碱、耐紫外线腐蚀、耐强氧化剂腐蚀而普遍应用于环境治理,成了最有前途的材料,得到了科研人员的重视。1991年,日本学家Iijima [1]发现了碳纳米管,开启了TiO 2一维形貌研究的大门。随着研究的深入,众多科技领域开始了对TiO 2形貌结构的研究,TiO 2材料因其结构不同而具有不同的性能及应用,本研究综述了不同制备方法对其形貌特征的影响。1 TiO 2的合成及形貌结构 TiO 2是最早作为光催化剂的材料之一,相比较其他光催化剂,它的发展更为完善,目前合成出的比较成熟的形貌有球形、微球形、中空球形、纳米纤维、纳米管状、片状、棒状、花形等。Pal 等[2]在氮气氛围和室温下,将四丁氧基钛和乙二醇配置的溶液磁力搅拌水解8 h ,然后再加入丙酮进行剧烈搅拌,就制备出了球形TiO 2。吕玉珍等[3]以草酸钛钾和过氧化氢为原料制备了TiO 2 粉末,采用水热法在150 ℃下加热0.5 h ,TiO 2粉末初步变成图1中的带状花结构,再在此温度下延长加热5 h ,形成图1中所示的棒状花结构。 常用的TiO 2合成方法包括:反应热炉热裂解法[4];水热法,Wang [5]采用水热法一步合成了2-D TiO 2,他们发现二维TiO 2的禁带宽度比TiO 2减小很多,Eg 大约为1.8 eV ,在较大程度上提高了光催化剂的催化活性;溶剂热法[6-7],而溶剂热法又分为有无模板,王红侠等[6]采用无模板溶剂热法合成了TiO 2中空微球(以钛酸丁酯为钛源),发现它具有良好的光催化活性。除了这些方法,还有很多其他的制备方法。Li [8]考虑到了TiO 2回收的问题,制备合成了多孔TiO 2陶瓷颗粒。在人们发现氧空穴对提高TiO 2的光催化性能有一定贡献后,An 等[9]将TiO 2纳米管与p25纳米粒子进行偶联,合成了分级纳米结构的TiO 2,具有较大的比表面积,较多的氧空穴和良好的光活性。2 TiO 2的其他应用2.1 电池领域应用 随着社会科技、经济的发展,不可再生能源的逐渐减少,能源问题也越来越突出,人们开始探究新能源—太阳能。 太阳能因其储存量大、绿色无污染成为最有前途的能源 之一。1991年,Gr?tzel 教授[10]制备出了光电转化效率为7.1%的太阳能电池后,染料敏化太阳能电池便开始备受关注,因为它的成本低廉、易制作等优点,大多数人们开始研究这样一种新型太阳能电池。 (a )在150 ℃下加热0.5 h TiO 2的SEM 照片 (b )在150 ℃下加热5 h TiO 2的SEM 照片图1 在150 ℃下加热的SEM照片 2.2 抗菌 Liu 等[11]发现多面体TiO 2纳米晶上构建的{101}-{001}表面异质结有利于光生电子与空穴的分离,所形成的自由电子和空穴可以促进活性氧(ROS )的产生,这可能用于消灭活细菌。研究发现,这些多面体TiO 2纳米晶体比球形TiO 2纳米晶体更容易产生活性氧,对在模拟日光照射下的大肠杆 作者简介:郭宇萱(1996— ),女,汉族,河北邯郸人,本科生;研究方向:光催化。 二氧化钛的形貌及其应用 郭宇萱,李 坤,张伊晗,王 璐 (河北农业大学 渤海校区,河北 沧州 061100) 摘 要:本文介绍了二氧化钛的形貌及其合成方法。形貌不同,使其具有不同的用途。扼要阐述了二氧化钛在染料敏化太阳能 电池、锂离子电池、抗菌、气体传感器、处理废水等领域的应用。最后,对未来二氧化钛的应用做出了展望。关键词:二氧化钛;形貌;应用现代盐化工 Modern Salt and Chemical Industry

介孔材料常用的表征方法[1]

介孔吸附材料常用的表征方法 摘要:介孔材料具有优越的性能和广泛的应用价值,成为各个领域研究的热点。本文简单介绍了介孔材料在吸附方面的应用以及常用的表征方法,如XRD、电镜分析、热重分析、BET法等。 关键词:介孔材料、吸附、XRD、BET、电镜分析 介孔材料是一种具有多种优良性质,应用广泛的新型材料。新型介孔吸附材料具有吸附容量大,选择性高,热稳定性好等[1]优点,成为研究的热点。对于气体的分离,如CO2的吸附(缓解温室效应)具有重要意义。 1.介孔吸附材料的简介 1.1介孔材料 介孔材料是一种多孔材料,IUPAC分类标准规定孔径2.0~50nm的为中孔,也就是介孔[2]。随着不断深入的研究,从最初的硅基介孔材料到现在各种各样的非硅基介孔材料被制备出来,并广泛应用于催化剂制备,新型吸附材料等行业。最初的介孔材料源于沸石,沸石是指多孔的天然铝硅酸盐矿物。这类矿物的骨架中含有结晶水,骨架结构稳定,在结晶水脱附或吸附时都不会被破坏掉[2]。后来人们根据沸石的性质结合实际需要相继合成了人造沸石(分子筛)。目前以SiO2为基础合成的介孔材料成为国际众多领域研究的热点。主要的研究方法是通过浸渍的方法在分子筛上负载相应的有机物分子,优化分子筛的表面特性,如较高的吸附容量,好的选择性及较多的活性位等,在生物材料,吸附分离,催化,新型复合材料等领域具有重要的应用价值和前景。 介孔材料具有独特的有点[3,4]:①孔道高度有序,均一性好,孔道分布单一,孔径可调范围宽。②具有较高的热稳定性和水热稳定性。③比表面积大,孔隙率高。④通过优化可形成具有不同结构、骨架、性质的孔道,孔道形貌具有多样性。 ⑤可负载有机分子,制备功能材料。 1.2新型吸附材料 上世纪90年代,Mobil Oil公司以二氧化硅作为主要氧化物,用长链烷基伯胺作模板剂,水热法制备出含有均匀孔道,孔径可调,呈蜂窝状的MCM-41介孔材料。它具有孔道呈六方有序排列、大小均匀、孔径可在2~10nm内连续调节,比表面积大等特点[2],对于开发新型的吸附剂具有重要意义。目前,研究的热点是由负载改性的介孔材料制备出选择性高、吸附容量大、热稳定性好、再生容易的复合吸附材料。研究较多的是用有机胺改性的MCM-41和SBA-15介孔材料制备高效的CO2吸附剂[5]。研究发现二异丙醇胺通过浸渍的方法负载到MCM-41和SBA-15上可显著提高其吸附容量,XRD图像说明负载前后的吸附剂孔径结构并未发生改变,负载不同的胺可得到不同的吸附效果[6]。 2.常用的表征方法

(I-2)纳米TiO2的合成及应用

第一部分内容:纳米TiO2的合成 一.目的要求: 1.了解和掌握纳米材料的基本合成方法,纳米材料技术的发展动向和基本应用. 2.了解均匀沉淀法和Sol-gel技术中各种合成因素对纳米TiO2材料性质的影响. 3.熟悉扫描电镜、X光衍射和激光粒度仪等纳米材料的表征技术. 二. 前言 纳米材料,是指颗粒粒径小于100m的材料,它处于微观粒子与宏观物体之间的过渡状态,具有一系列奇特的物理化学性质,已在精细陶瓷、催化剂、电子、冶金、能源、化工、材料、国防等领域显示出广泛的应用前景。 超细纳米TiO2是80年代开发成功的产品。它的出现与其他金属化合物(如:氧化物,碳化物,氮化物等)的超细粒子的出现一样,引起了有关人员的高度重视。 由于TiO2颗粒的尺寸的细微化,随着其面积与体积的比例增大,物质内部的原子和物质表面的原子所处的晶场环境与结合能不同,导致粒子表面有很大的化学活性,表面能大大增加,这些均属“表面效应”。而纳米粒子的“体积效应”,使粒子中包含的原子数减少,能带中间能级增大,导致纳米TiO2的电磁、热等物质性能发生变异。所以,纳米TiO2具有(1)高比表面积;(2)大表面张力;(3)低熔点;(4)强磁性和(5)强紫外线吸收能力等诸多独特性. 近年来,纳米TiO2作为一种新型无机材料,由于其独特的禁带宽度(约3.2eV)和表面活性,使其具有良好的湿敏、光敏、气敏和压敏等特性,尤其是它的光催化特性,使其在光催化降解污染物、太阳能电池、光电转换器和各种传感器等领域都有着诱人的应用前景。 目前,制备纳米TiO2的方法很多,基本上可归纳为物理法和化学法。物理法又称为机械粉碎法,对粉碎设备要求很高.化学法又可分为气相法〔CVD〕、液相法和固相法。本实验用液相法中的溶胶-凝胶法合成纳米TiO2. 三. 溶胶-凝胶法合成纳米TiO2的理论基础 1 实验原理与分析 在Sol-gel过程中钛酸丁脂的水解-缩聚反应速度极快,会立即生成沉淀,影响TiO2的细化。大量研究表明,可以通过加螯合剂,配制滴加液,并控制滴加速度等方法来抑制沉淀的

介孔材料合成方法

三维介孔材料SBA-16的制备 分别称取12 g F108和31.44 g硫酸钾放入500 mL烧杯中,加入360 g浓度为2 M的盐酸。在室温下(25 °C)搅拌4 h,使表面活性剂全部溶解并且分散均匀后,将温度升至38 °C。待恒温后,在剧烈搅拌下,逐滴加入25.2 g正硅酸乙酯(TEOS),连续搅拌20 min后停止。静置保持反应物24 h,整个过程维持38 °C 不变。所得白色粉末,通过离心进行收集(转速5000 rpm),用去离子水洗涤6次,并在烘箱中40 °C干燥。表面活性剂在500 °C空气中焙烧5 h去除,升温速度控制在2 °C /min。 二维介孔二氧化硅材料SBA-15的制备 室温下,将1 g P123和2.24 g KCl溶于30 g 2 M的盐酸中,当搅拌至均一溶液后,逐滴加入2.08 g正硅酸乙酯(TEOS),并强烈搅拌30 min。静置24 h 后,把所得混合物转移至带聚四氟乙烯衬套的不锈钢反应釜中,100 °C晶化24 h。自然冷却后,经抽滤,反复洗涤,在烘箱中过夜烘干。 三维介孔二氧化硅材料SBA-16的制备 在45 °C下,将4.0 g F127和8.0 g浓盐酸(37 wt%)溶于192 g蒸馏水中。在搅拌均一后,加入12.0 g 正丁醇,并强烈搅拌1 h。逐滴加入18 g正硅酸乙酯(TEOS)后,在相同温度下搅拌24 h。将所得混合物转移至带聚四氟乙烯衬套的不锈钢反应釜中,100°C晶化24 h。自然冷却,经抽滤,反复洗涤,所得粉末样品在烘箱中过夜烘干。 MCM-41的合成 将4.38 g CTAB加入到含1.10 g NaOH的200 g蒸馏水中。室温搅拌使其完全溶解,逐滴加入5.21 g TEOS,并继续搅拌24 h。将混合物转移至带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中,在110 °C条件下晶化24 h。所得产物抽滤后,用蒸馏水反复冲洗直至滤液呈中性,将产物干燥。 介孔二氧化硅分子筛KIT-6的制备

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