介孔材料简介
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介孔材料----有序介孔材料摘要:简要介绍了自1992年以来有序介孔材料形成机理的研究进展, 重点介绍了几个重要的反应机理模型, 如液晶模板机理模型、棒状自组装机理模型、层状折叠机理模型、电荷密度匹配机理模型、协同作用机理模型、真液晶模板机理模型、氢键-π-π- 堆积协同作用机理模型等。
综述了有序介孔CeO2材料的制备方法。
以及有序介孔材料的发展前景。
关键字:介孔材料; 液晶模板; 自组装;有序介孔;软模板;硬模板一、介孔材料简介1、介孔材料的定义多孔材料分三类:微孔材料(孔径小于2 nm),如ZSM-5 沸石型分子筛(图1.1a);介孔材料(孔径在2 50 nm) 如SBA-15氧化硅材料(图1.1b);大孔材料(孔径大于50 nm),如用模板法合成的氧化硅(图1.1c)。
图a:微孔材料(ZSM-5) 图b:介孔材料(SBA-15)图c:巨孔材料(氧化硅)介孔材料是一种孔径介于微孔与大孔之间的具有巨大表面积和三维孔道结构的新型材料。
2、研究意义介孔材料的研究和开发对于理论研究和实际生产都具有重要意义。
它具有其它多孔材料所不具有的优异特性:具有高度有序的孔道结构;孔径单一分布,且孔径尺寸可在较宽范围变化;介孔形状多样,孔壁组成和性质可调控;通过优化合成条件可以得到高热稳定性和水热稳定性。
它的诱人之处还在于其在催化,吸附,分离及光,电,磁等许多领域的潜在应用价值。
3、介孔材料的特点a、具有规则的孔道结构b、孔径分布窄,且在2~50纳米之间可以调节c、经过优化合成条件或后处理,可具有很好的热稳定性和一定的水热稳定性d、颗粒具有规则外形,且可在微米尺度内保持高度的孔道有序性4.、介孔材料的研究方法:a、溶胶-凝胶法b、水热合成法c、微波辐射合成法d、相转变法e、沉淀法5介孔材料的分类:按照化学组成:硅基介孔材料、非硅基介孔材料按照介孔是否有序:无定形(无序)介孔材料,有序介孔材料二、有序介孔材料的介绍1、起源:有序介孔氧化硅的合成最早出现在1969 年美国一家公司申请的一份专利中,当时并不清楚它的结构, 只是简单地把它作为一种轻质氧化硅而用于荧光粉的配方中。
介孔材料名词解释
介孔材料是一种孔径在2-50纳米之间的材料,具有高比表面积和孔容量,通常用于催化剂、吸附剂、分离膜等领域。
介孔材料在化学、物理、生物学等领域都有广泛的应用。
介孔材料可以分为有机介孔材料、无机介孔材料和混合介孔材料三类。
有机介孔材料主要由有机高分子自组装形成,具有较好的可控性和可调性。
无机介孔材料主要由无机化合物(如硅酸盐、铝酸盐等)自组装形成,具有良好的热稳定性和机械强度。
混合介孔材料是由有机和无机材料通过共混合成的材料。
介孔材料的特点是孔径大小适中,具有很大的比表面积和孔容量,可以大幅度增加反应物接触面积,提高反应效率和选择性。
此外,介孔材料还具有高度可控性和可调性,可以根据需求调控孔径大小和孔壁结构,以实现更好的性能表现。
介孔材料的应用范围非常广泛,例如在催化剂领域中,介孔材料可以作为载体或活性组分,用于催化反应,提高反应效率和选择性;在吸附剂领域中,介孔材料可以用于气体或液体的吸附和分离;在分离膜领域中,介孔材料可以用于制备高选择性的分离膜,用于分离气体或液体混合物。
介孔材料的应用
介孔材料是一种具有高度有序孔道结构的材料,其孔径在2-50纳米之间。
由于其独特的结构特点,介孔材料在多个领域具有广泛的应用前景。
本文将就介孔材料在催化、吸附、药物输送等方面的应用进行探讨。
介孔材料在催化领域有着重要的应用。
介孔材料具有大量的孔道结构,能够提供更多的活性表面积,增加催化反应的效率。
此外,介孔材料的孔径大小可调,可以用于不同尺寸的反应物分子。
这使得介孔材料在催化反应中具有更好的选择性和活性,有望取代传统的催化剂,成为未来催化领域的重要候选材料。
介孔材料在吸附领域也有着广泛的应用。
介孔材料具有高度有序的孔道结构,可提供大量的吸附位点,具有较大的吸附容量和高速的吸附速率。
这使得介孔材料在气体分离、水处理和废水处理等领域有着重要的应用前景。
例如,介孔材料可以用于去除水中的重金属离子、有机污染物等,具有较好的吸附性能和再生性能。
介孔材料还可以应用于药物输送领域。
介孔材料具有可调控的孔径大小和表面性质,可以用于载药和控释药物。
介孔材料可以将药物载入其孔道中,保护药物不被分解和降解,延长药物的血药浓度和作用时间,提高药物的生物利用度。
因此,介孔材料在药物输送系统中有着广阔的应用前景,可以被用于治疗癌症、炎症和感染等疾
病。
介孔材料具有广泛的应用前景,在催化、吸附和药物输送等领域都有着重要的应用价值。
随着材料科学的不断发展和进步,介孔材料的结构设计和功能化将会得到进一步的优化和完善,为其在各个领域的应用提供更加广阔的空间。
相信未来介孔材料将会成为材料科学领域的研究热点,为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
增刊1介孔材料简介及其制备方法宋磊(新疆有色金属研究所乌鲁木齐830000)摘要介孔材料是一类具有均匀孔道,孔径在2~50nm之间的吸附剂或薄膜类物质,它们在精细化工、石油及天然气加工、吸附与分离等领域均有广泛的应用。
由于有优越的性能,介孔材料已成为研究的热点。
孔材料的许多优异性能使其成为材料研究的热点。
本文综述了近年来介孔材料的制备方法,包括模板法、溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、硬模板法等;同时简要介绍了其在吸附、催化、电极、电客、信息储运和医药基因工程方面的应用。
关键词介孔材料制备1引言无机多孔材料是具有较大比表面积和孔容的材料,在精细化工、石油及天然气加工、吸附与分离等领域均有着广泛的用途,其中介孔材料在工业生产过程中有较好的应用前景。
典型介孔材料有普通的SiO2气凝胶、微晶玻璃、沸石分子筛、M41S系列介孔材料等,它们的孔径范围较大,是良好的催化剂载体和研究介孔吸附的模型化合物。
多孔材料是20世纪发展起来的崭新材料体系,其显著特点是:具有规则排列、大小可调的孔道结构及高的比表面积和大的吸附容量。
按照国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的定义,孔径<2nm的多孔材料为微孔材料,>50nm的多孔材料为大孔材料,介于2~50 nm的多孔材料为介/中孔材料。
微孔材料孔径太小,限制了较大分子进入其孔隙或在孔腔内形成的大分子不能快速逸出,从而大大限制了其实际应用范围;对于大孔材料,虽然其孔径尺寸大,但同时存在着孔道形状不规则、尺寸分布过宽等缺点;而介孔材料不仅孔径适中、具有较大的比表面积和壁厚、且具有较高的热稳定性和水热稳定性。
在性能上,由于其量子限域效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、以及介电限域效应而体现出许多新的性质,因而在催化分离和吸附等方面以及在光电子学、电磁学、材料学、环境学等领域具有广阔的应用前景。
2介孔材料简介介孔分子筛是一类具有均匀微孔,孔径与一般分子相当的吸附剂或薄膜类物质,具有分子筛作用的物质很多,其中应用最广的是沸石。
介孔材料的应用
介孔材料是一种具有特殊孔径大小的材料,其孔径大小在2-50纳米之间,具有高度有序的孔道结构和大的比表面积。
这种材料具有许多优异的性质,如高度有序的孔道结构、大的比表面积、高度可控的孔径大小和形状等,因此在许多领域都有广泛的应用。
在催化领域,介孔材料可以作为催化剂的载体,提高催化剂的活性和选择性。
由于介孔材料具有大的比表面积和高度有序的孔道结构,可以提高催化剂的分散度和稳定性,从而提高催化剂的活性和选择性。
此外,介孔材料还可以用于催化剂的再生和回收,减少催化剂的浪费和环境污染。
在吸附分离领域,介孔材料可以作为吸附剂和分离剂,用于分离和纯化化学品、生物制品和环境污染物等。
由于介孔材料具有高度可控的孔径大小和形状,可以选择性地吸附和分离不同大小和形状的分子和颗粒。
此外,介孔材料还可以用于水处理和空气净化,去除水中的重金属和有机污染物,以及去除空气中的有害气体和颗粒物。
在能源领域,介孔材料可以作为电极材料和储能材料,用于制备高性能的电池和超级电容器。
由于介孔材料具有大的比表面积和高度有序的孔道结构,可以提高电极材料的电化学活性和储能性能。
此外,介孔材料还可以用于太阳能电池和燃料电池,提高能量转换效率和稳定性。
介孔材料具有广泛的应用前景,在催化、吸附分离、能源等领域都有重要的应用价值。
随着科技的不断发展和创新,介孔材料的应用前景将会更加广阔。
介孔材料化学系 0801 顾天宇 09介孔材料是指孔径为2.0~50nm的多孔材料,如气凝胶、柱状黏土、M41S材料。
按照化学组成分类,可分为硅基和非硅基两大类。
按照介孔是否有序分类,可分为有序和无序介孔材料。
介孔材料的制备主要有模板法、水热法、溶胶- 凝胶法等几种方法。
模板法: 1)阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂作模板剂,在介孔材料制备中的应用较为普遍,常采用三甲基季铵盐(ATMA)为结构导向剂,在水热体系中用合成时,通过改变合成条件可得到不同结构的介孔材料。
如Ch. Danumah等利用十六烷基三甲基氯化铵/十六烷基三甲基氢氧化铵和乳胶粒子作为模板剂,制备出具有中孔和大孔分层孔结构的硅基分子筛。
使用长链烷基季铵盐阳离子表面活性剂合成出的介孔材料比较单一,通常仅限于M41S型类似结构的介孔分子筛,孔径只有2~5 nm,孔壁较薄,提高材料的水热稳定性是其应用开发研究的首要问题。
闫欣等报道,以低聚季铵盐表面活性剂作为模板剂,在中性条件下,合成了结构高度有序的介孔硅铝酸盐材料MCM - 41。
由于低聚表面活性剂的端基电荷密度高、CMC值小、在水中的自组装能力强,因而可以在低温、低表面活性剂浓度下合成有序性较高的介孔材料。
2)阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂主要是长链烷基硫酸盐、长链烷基磷酸盐和羧酸盐等,常用于合成具有阳离子聚合过程的无机材料,如金属氧化物介孔分子筛的制备。
V. Luca等采用新的合成法,以价廉的十二烷基硫酸盐为模板剂,合成了具有蠕虫洞孔道的介孔二氧化钛。
该法分两步进行,第一步是十二烷基硫酸钠与TiCl3在水溶液中反应生成十二烷基硫酸钛,第二步是将合成的十二烷基硫酸钛溶于无水乙醇中,加入钛酸异丙酯调节硫酸盐比,最后在一定的湿度和空气流速下可获得介孔二氧化钛。
其热稳定性较差,但经改性后,可在300~400 ℃保持稳定。
3)非离子表面活性剂由于非离子表面活性剂在溶液中呈中性,氢键被认为是介孔相形成的驱动力。
材料的孔隙类型一、介孔介孔是指孔径在2-50纳米之间的孔隙,介于微孔和大孔之间。
介孔材料具有较大的比表面积和较高的孔容量,广泛应用于催化剂、吸附剂、分离膜等领域。
介孔材料的制备方法多种多样,其中最常见的方法是模板法。
模板法的基本步骤是:首先选择一种适当的模板,如聚合物微球或纳米颗粒;然后将模板与适当的前驱体混合,在适当的条件下进行反应,使前驱体在模板表面或内部形成介孔结构;最后,通过高温煅烧或化学处理等方式去除模板,得到介孔材料。
二、微孔微孔是指孔径小于2纳米的孔隙,具有很高的比表面积和吸附能力。
微孔材料广泛应用于催化剂、吸附剂、分离膜等领域。
常见的微孔材料有活性炭、分子筛等。
活性炭是一种具有大量微孔的炭质材料,由于其较大的比表面积和丰富的孔结构,具有良好的吸附性能,常用于水处理、空气净化等领域。
分子筛是一种由硅酸盐类或金属酸盐类构成的结晶材料,具有规则的孔隙结构,可用于分离、吸附、催化等应用。
三、大孔大孔是指孔径大于50纳米的孔隙,具有较低的比表面积和孔容量。
大孔材料在吸附、分离等领域的应用相对较少,主要用于载体材料、填料等方面。
常见的大孔材料有多孔陶瓷、多孔玻璃等。
多孔陶瓷是一种由无机材料制成的具有连续孔隙结构的材料,具有良好的化学稳定性和机械强度,常用于过滤、隔离等领域。
多孔玻璃是一种具有高度开放孔隙结构的玻璃材料,具有良好的光学透明性和化学稳定性,广泛应用于光学器件、传感器等领域。
四、非晶孔非晶孔是指没有规则结晶形态的孔隙,表现为无序的孔隙结构。
非晶孔材料具有较高的比表面积和孔容量,常用于催化剂、吸附剂等领域。
非晶孔材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法、气相沉积法等。
溶胶-凝胶法是一种通过溶胶物质的凝胶化过程制备非晶孔材料的方法,常用于制备二氧化硅、二氧化钛等材料。
气相沉积法是一种通过气相反应在基底上沉积材料的方法,常用于制备二氧化硅、氧化铝等材料。
材料的孔隙类型包括介孔、微孔、大孔和非晶孔。
二氧化硅介孔材料
二氧化硅介孔材料是一种具有介孔结构的材料,其中二氧化硅是主要成分。
介孔材料是一种孔径介于微孔与大孔之间的新型材料,小于2nm的为微孔(microporous)材料,介于2-50nm的为介孔(mesoporous)材料,大于50nm的为大孔(macroporous)材料。
二氧化硅介孔材料具有高孔容、高比表面积和良好孔径分布特性,以及优异的耐高温、耐腐蚀、高稳定性等性能。
这种材料在催化剂、吸附剂、分子筛等领域有广泛的应用。
制备二氧化硅介孔材料的方法包括表面化学修饰改性方法及后嫁接法。
表面化学修饰主要利用偶联剂进行改性,通过含有机官能团的偶联剂与介孔二氧化硅材料作用,将功能官能团以共价键方式嫁接到介孔材料孔壁上,实现介孔二氧化硅材料的功能化。
然而,制备条件是酸性或碱性,许多偶联剂在这种条件下极不稳定,容易分解或变性。
同时,引入的官能团量过大也将破坏材料介孔结构的形成。
后嫁接法是先制备介孔二氧化硅材料,再将偶联剂加入到已制备的介孔二氧化硅材料中,在有机溶剂中回流。
介孔材料----有序介孔材料摘要:简要介绍了自1992年以来有序介孔材料形成机理的研究进展, 重点介绍了几个重要的反应机理模型, 如液晶模板机理模型、棒状自组装机理模型、层状折叠机理模型、电荷密度匹配机理模型、协同作用机理模型、真液晶模板机理模型、氢键-π-π- 堆积协同作用机理模型等。
综述了有序介孔CeO2材料的制备方法。
以及有序介孔材料的发展前景。
关键字:介孔材料; 液晶模板; 自组装;有序介孔;软模板;硬模板一、介孔材料简介1、介孔材料的定义多孔材料分三类:微孔材料(孔径小于2 nm),如ZSM-5 沸石型分子筛(图1.1a);介孔材料(孔径在2 50 nm) 如SBA-15氧化硅材料(图1.1b);大孔材料(孔径大于50 nm),如用模板法合成的氧化硅(图1.1c)。
图a:微孔材料(ZSM-5) 图b:介孔材料(SBA-15)图c:巨孔材料(氧化硅)介孔材料是一种孔径介于微孔与大孔之间的具有巨大表面积和三维孔道结构的新型材料。
2、研究意义介孔材料的研究和开发对于理论研究和实际生产都具有重要意义。
它具有其它多孔材料所不具有的优异特性:具有高度有序的孔道结构;孔径单一分布,且孔径尺寸可在较宽范围变化;介孔形状多样,孔壁组成和性质可调控;通过优化合成条件可以得到高热稳定性和水热稳定性。
它的诱人之处还在于其在催化,吸附,分离及光,电,磁等许多领域的潜在应用价值。
3、介孔材料的特点a、具有规则的孔道结构b、孔径分布窄,且在2~50纳米之间可以调节c、经过优化合成条件或后处理,可具有很好的热稳定性和一定的水热稳定性d、颗粒具有规则外形,且可在微米尺度内保持高度的孔道有序性4.、介孔材料的研究方法:a、溶胶-凝胶法b、水热合成法c、微波辐射合成法d、相转变法e、沉淀法5介孔材料的分类:按照化学组成:硅基介孔材料、非硅基介孔材料按照介孔是否有序:无定形(无序)介孔材料,有序介孔材料二、有序介孔材料的介绍1、起源:有序介孔氧化硅的合成最早出现在1969 年美国一家公司申请的一份专利中,当时并不清楚它的结构, 只是简单地把它作为一种轻质氧化硅而用于荧光粉的配方中。
介孔材料是一种孔径介于微孔与大孔之间的具有巨大表面积和三维孔道结构的新型材料。
介孔材料的研究和开发对于理论研究和实际生产都具有重要意义。
它具有其它多孔材料所不具有的优异特性:具有高度有序的孔道结构;孔径单一分布,且孔径尺寸可在较宽范围变化;介孔形状多样,孔壁组成和性质可调控;通过优化合成条件可以得到高热稳定性和水热稳定性。
它的诱人之处还在于其在催化,吸附,分离及光,电,磁等许多领域的潜在应用价值。
介孔材料的分类按照化学组成分类,介孔材料一般可分为硅系和非硅系两大类。
硅基介孔材料孔径分布狭窄,孔道结构规则,并且技术成熟,研究颇多。
硅系材料可用催化,分离提纯,药物包埋缓释,气体传感等领域。
硅基材料又可根据纯硅和掺杂其他元素而分为两类。
进而可根据掺杂元素种类及不同的元素个数不同进行细化分类。
杂原子的掺杂可以看作是杂原子取代了原来硅原子的位置,不同杂原子的引入会给材料带来很多新的性质,例如稳定性的变化、亲疏水性质的变化、以及催化活性的变化等等。
非硅系介孔材料主要包括过渡金属氧化物、磷酸盐和硫化物等。
由于它们一般存在着可变价态,有可能为介孔材料开辟新的应用领域,展示硅基介孔材料所不能及的应用前景。
例如:铝磷酸基分子筛材料中部分P被Si取代后形成的硅铝磷酸盐(silicon-aluminophosphate,SAPOs)、架构中引入二价金属的铝磷酸盐(metal-substituted AIPOs,MAPOs)已广泛应用于吸附、催化剂负载、酸催化、氧化催化(如甲醇烯烃化、碳氢化合物氧化)等领域。
内表面积大和孔容量高的活性炭,由于具有高的吸附量以及可从气液中吸附不同类型的化合物等特性已成为主要的工业吸附剂。
此外介孔碳制得的双电层电容器材料的电荷储量高于金属氧化物粒子组装后的电容量,更是远高于市售的金属氧化物双电层电容器。
二氧化钛基介孔材料具有光催化活性强、催化剂载容量高的特点,其结构性能和表征方面的研究颇多。
介孔材料及制备方法1、引言介孔材料(mesoporous materials )是20世纪发展起来的新型材料,其孔径一般在1.5—50nm 。
介孔材料由于其独特的孔状有序结构、大的比表面积和大的孔体积使其在催化、传感器、分离技术等各个领域都有很好的应用前景。
1992年Mobil 公司的Beck 等以季铵盐阳离子表面活性剂形成的溶致液晶作“软模板”,通过水热反应合成了高度有序的介孔硅(1.5-10nm )分子筛MCM-41,其形成过程如图1所示。
并把它们研究小组的成果发表在了国际著名杂志Nature 上,从此拉开了了利用“模板”法合成介孔材料的序幕。
至今已经制备了不同结构的介孔材料包括二维六方结构(空间群为p 6mm )、三维六方结构(空间群为P 63/mmc )、三维立方结构(空间群为m Pm 3,n Pm 3,m Fd 3,m Fm 3,m 3Im )和双连续立方结构(空间群为d Ia 3)等;材料的化学成分主要有硅、碳、聚合物、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物和金属等[1]。
图1 MCM-41的两种形成机理2、制备方法目前主要有表面活性剂和前躯体的协同作用自组织(Cooperative Self-Assembly )和液晶模板(Liquid-Crystal )两种“软模板”方法用于介孔材料的制备,最近又发展了纳米铸造(nanocasting )“硬模板”技术用于金属氧化物和氮化物等介孔材料的制备[5,6]。
2.1 表面活性剂一般用于介孔材料制备的表面活性剂有阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂。
阳离子表面活性剂主要使用的有C n H 2n+1N(CH 3)3(n=8-22)包括经常使用的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB ),Gemini surfactants, bolaform surfactants, multiheadgroup surfactants 和最近发展起来的fluorinated surfactants 。
介孔材料的制备与应用摘要:现代社会发展的非常快,各种各样的材料层出不穷,而介孔材料在化工,生物,医疗,环境保护等上面都有着不同的重要作用!关键词:介孔材料;化工;生物;医疗;环境保护;功能材料一、介孔材料简介介孔材料是一类具有均匀孔道,孔径在2-50nm之间的吸附剂或薄膜类物质,它们在精细化工、石油及天然气加工、吸附与分离等领域均有广泛的应用。
由于有优越的性能,介孔材料已成为研究的热点。
孔材料的许多优异性能使其成为材料研究的热点。
二、介孔材料的制备方法(一)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,一般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。
velel等用聚苯乙烯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sio2微粒进行聚合生长,制得了多孑l的、有序生长的sio2材料;后来有学者利用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)为胶态晶体模板也合成了介孔sio2材料。
johnso 等则直接采用无机的sio2胶态晶体为模板,通过对纳米级的sio2粒子加压成球,经高温烧结处理,并将引发剂偶氮二异丁腈(aibn)和聚合单体二乙烯基苯(dvb),或乙二醇二异丁烯酸盐(edma),或二者的混合物填充到模板的空隙中,干燥,卸除模板,可制得孔径可调的介孔聚合物材料。
caruso等用ps胶体粒子为模板,通过静电作用将sio2和聚二丙烯基二甲基氯化铵(pdadmac)和sio2自组装到模板上,经过煅烧和并在四氢呋喃溶液中溶解,则可得sio2聚合物混合体的空心球。
该方法可通过控制吸附在模板上的sio2一聚合物的层数来获得不同厚度的空心球。
(二)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。
乳滴都具有高度的变形性,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,同时乳滴为液相,完成为模板任务后很容易清除。
介孔材料的概念
介孔材料(mesoporous materials)是一种具有中等孔径(2-50纳米)的材料,是一类新兴的纳米材料之一。
它是由大量的微米或纳米级别的孔洞组成,具有大表面积、高孔隙度和良好的化学性质,因此具有广泛的应用前景。
介孔材料包括多种类型,如有序介孔材料、非有序介孔材料、层状介孔材料、纳米光学介孔材料等。
其中,有序介孔材料是最具代表性的一类,其孔道排列有序,呈现出典型的六方密堆结构,具有高度可控性和规律性,广泛用于分离、催化、储能等领域。
介孔材料的制备有多种方法,如溶胶-凝胶法、水热法、直接合成法、电化学法等,其中溶胶-凝胶法是最常用的制备方法之一。
在这个方法中,通过控制前驱体的成分和比例,再在酸性或碱性的条件下组装自组装的胶体微粒,形成介孔结构。
此外,还可以通过模板法、碳化法等方法制备介孔材料。
介孔材料具有很多优良性质,例如大比表面积、高孔隙度、规则孔道结构、均匀分布孔道等。
这些性质使得介孔材料被广泛应用于多个领域。
例如,介孔材料在催化领域具有非常重要的应用前景,例如在高效催化剂的制备、环保催化剂的研发等方面;在吸附和分离领域,也可以使用介孔材料进行气体、液体等成分的分离,净化和提纯;在能源储存方面,也可以使用介孔材料作为电极材料,在电池、电容器等领域应用等。
总之,介孔材料的制备方法和应用领域,正在被越来越多的科研人员所关注,相信在不远的将来,介孔材料将会成为材料科学领域的研究热点之一。
介孔,光催化介孔材料是一类具有高度有序孔道结构的材料,具有大比表面积、可调控的孔径、良好的热稳定性和化学稳定性等优点,被广泛应用于催化、吸附、分离等领域。
其中,光催化是介孔材料的一个重要应用方向,通过光催化反应可以实现对有机污染物的降解、水体净化和光电转换等重要功能。
光催化是利用光能激发材料中的电荷转移和化学反应的一种过程。
介孔材料的特殊结构使其具有较大的比表面积,这使得光照下的光催化反应具有更高的效率。
光催化反应中,光能激发介孔材料表面吸附的有机污染物,产生活性氧和自由基等中间体,进而发生一系列复杂的化学反应,最终将有机污染物降解为无害的物质。
相比传统的化学方法,光催化具有能量消耗低、环境友好等优势。
在光催化反应中,选择合适的介孔材料对反应效率具有重要影响。
介孔材料的孔径大小决定了有机分子在其内部的扩散速率,过大的孔径会导致反应效率降低,而过小的孔径则会限制有机分子的扩散。
因此,通过调控介孔材料的孔径大小,可以实现对光催化反应的优化。
此外,介孔材料的孔道结构还可以用来载体光催化剂,提高反应效率。
除了孔径大小,介孔材料的表面性质也对光催化反应具有重要影响。
介孔材料的表面通常具有丰富的活性位点,这些位点能够吸附光照下的有机污染物,并提供反应所需的活性中心。
因此,通过调控介孔材料的表面性质,可以实现对光催化反应的优化。
近年来,研究人员通过合成不同类型的介孔材料,不断拓展其在光催化领域的应用。
例如,一些研究者利用金属氧化物和碳材料等制备了具有可见光响应的介孔光催化剂,实现了对有机污染物的高效降解。
另外,一些研究者还利用介孔材料的二维或多孔结构,实现了光催化反应的空间分离,提高了反应效率。
介孔材料在光催化领域具有广阔的应用前景。
通过合理设计和调控介孔材料的孔径和表面性质,可以实现对光催化反应的优化,提高反应效率和选择性。
未来,随着对介孔材料性质和结构的深入研究,相信介孔材料在光催化领域的应用将得到进一步拓展,并为环境污染治理和能源转化等重要问题提供有效的解决方案。
介孔材料简介摘要:介孔材料作为一种新兴的材料在光化学、催化及分离等领域具有十分重要的应用,是当今研究的热点之。
本文阐述了介孔材料的研究进展,概述了介孔材料的分类及合成机理,并展望了介孔材料的应用前景,并简要介绍了孔径调节以及改性方法。
关键词:介孔材料,模板法,溶胶-凝胶法,合成机理,孔径调节Research development of mesoporous materials Abstract:Mesoporousmaterial is of much use in the fields of photochemistry, catalyst and separationetc, and it is one of hot spots of research. The research p rogress of the mesoporous materials is reviewed in this paper. And the classification and synthesis mechanism of the mesoporousmaterials are also outlined. The potential application foreground of the mesoporousmaterial is discussed as well.And briefly describes the aperture adjustment and modification methods.Key words:mesoporousmaterials; template method; sol - gel methods synthesis mechanism ;aperture adjustment1 前言人类社会的进步与材料科学的发展密切相关[ 1, 2 ],尤其是近几十年中,出现了许多具有特殊功能的新材料,其中介孔材料就是一种。
介孔材料是指孔径为2. 0~50nm的多孔材料,如气凝胶、柱状黏土、M41S 材料。
上世纪九十年代以来,有序介孔材料由于其特殊的性能已经成为目前国际上跨学科的研究热点之一[ 3 ]。
从最初的硅基介孔材料到其他非硅基介孔材料,各种形貌与结构的介孔材料已制备出来[ 4 ]。
目前有关介孔材料的研究还处于起步阶段,制备工艺、物理化学性质=质尚需进一步开展和改进。
但是,由于它具有较大的比表面积,孔径极为均一、可调,并且具有维度有序等特点,因而在光化学、生物模拟、催化、分离以及功能材料等领域已经体现出重要的应用价值。
有序介孔材料具有较大的比表面积,相对大的孔径以及规整的孔道结构,在催化反应中适用于活化较大的分子或基团,显示出了优于沸石分子筛的催化性能。
有序介孔材料直接作为酸碱催化剂使用时,能够减少固体酸催化剂上的结炭,提高产物的扩散速度。
另外,还可在有序介孔材料骨架中引入金属离子及氧化物等改变材料的性能,以适用于不同类型的催化反应。
2 分类(1)按照化学组成分类,可分为硅基和非硅基两大类。
如MCM 系列即为最常见的硅基介孔材料;非硅基主要包括过度金属氧化物、磷酸盐和硫化物等,如TiO2、Al2O3 、ZnS[5]、磷酸铝铬锆(ZrCrAlPO)和磷酸铝铬(CrAlPO)[6],它们一般存在着可变价态,有可能开辟介孔材料新的应用领域。
(2)按照介孔是否有序分类,可分为有序和无序介孔材料。
无序介孔材料如普通的SiO2气凝胶和微晶玻璃等,孔径范围较大,孔道形状不规则。
有序介孔材料是20世纪90年代初开发的新型纳米结构材料,孔道结构排列有序,孔径均一且在一定范围内连续可调,具有较高的热稳定性和水热稳定性。
如M41S系列[7]、SBA系列[8]等介孔SiO2材料,以及非硅基的TiO2、MnO2等半导体技术有序介孔材料。
3. 介孔材料的制备方法3. 1模板法1)阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂作模板剂,在介孔材料制备中的应用较为普遍,常采用三甲基季铵盐(ATMA)为结构导向剂,在水热体系中用合成时,通过改变合成条件可得到不同结构的介孔材料。
如Ch. Danumah等[ 9]利用十六烷基三甲基氯化铵/十六烷基三甲基氢氧化铵和乳胶粒子作为模板剂,制备出具有中孔和大孔分层孔结构的硅基分子筛。
使用长链烷基季铵盐阳离子表面活性剂合成出的介孔材料比较单一,通常仅限于M41S型类似结构的介孔分子筛,孔径只有2~5 nm,孔壁较薄,提高材料的水热稳定性是其应用开发研究的首要问题。
闫欣等[10]报道,以低聚季铵盐表面活性剂作为模板剂(结构式见图1) ,在中性条件下,合成了结构高度有序的介孔硅铝酸盐材料MCM - 41。
由于低聚表面活性剂的端基电荷密度高、CMC值小、在水中的自组装能力强,因而可以在低温、低表面活性剂浓度下合成有序性较高的介孔材料。
图1低聚表面活性剂结构简式2)阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂主要是长链烷基硫酸盐、长链烷基磷酸盐和羧酸盐等,常用于合成具有阳离子聚合过程的无机材料,如金属氧化物介孔分子筛的制备。
V. Luca等[ 11]采用新的合成法,以价廉的十二烷基硫酸盐为模板剂,合成了具有蠕虫洞孔道的介孔二氧化钛。
该法分两步进行,第一步是十二烷基硫酸钠与TiCl3在水溶液中反应生成十二烷基硫酸钛,第二步是将合成的十二烷基硫酸钛溶于无水乙醇中,加入钛酸异丙酯调节硫酸盐比,最后在一定的湿度和空气流速下可获得介孔二氧化钛。
其热稳定性较差,但经改性后,可在300~400 ℃保持稳定。
3)非离子表面活性剂由于非离子表面活性剂在溶液中呈中性,氢键被认为是介孔相形成的驱动力。
长碳链伯胺是一类主要的非离子表面活性剂。
H. Yoshitake 等[ 12 ]用长链烷基(C 分别为10,12, 16和18)伯胺模板剂,合成出螺旋形孔道的介孔TiO2光催化剂,其孔径随模板剂碳链的增加呈非线性增大,比表面积可达1 200 m2 /g。
螺旋形孔道结构有利于反应物到达活性中心,从而改善了TiO2的光催化活性。
4)混合表面活性剂这类模板剂通常是将离子型表面活性剂与非离子型表面活性剂进行混合,以发挥出其各自的优势,由此对胶束大小和形状进行控制, 以更好地控制介孔材料的形貌。
M. M.Yusuf等[ 13 ]以钛酸丁酯为钛源,盐酸为酸催化剂,以CTAC + PEG作为模板剂,制备了介孔TiO2光催化剂。
研究表明,以CTAC + PEG作为模板剂,通过改变CTAC和PEG的量,可以很好地对介孔TiO2光催化剂的比表面积、孔径和孔容等孔结构进行控制。
5)非表面活性剂相对于表面活性剂,非表面活性剂作为模板制备介孔材料的报道并不多见。
Y. Wei等[14]以葡萄糖、麦芽糖和酒石酸衍生物等非表面活性剂有机分子为模板,制备出高比表面积、孔径可调、窄孔径分布的介孔MCM - 41分子筛, 为介孔材料的制备提供了一种新的方法。
白青龙等[ 15 ]以降解、胺化改性的木质素为模板,采用溶胶- 凝胶法合成了负载POM的木质素- 氧化硅复合体,高温烧结,制备了负载POM的氧化硅介孔材料。
3. 2 水热法水热法合成介孔材料,可以减少材料陈化的时间,提高材料的晶化程度,提高介孔材料的水热稳定性。
Wang Runwei等[ 16 ]通过钛硅酸盐的组装作用,分别在碱性条件(氨水)和酸性(盐酸)条件下,利用水热反应合成出了介孔钛硅分子筛光催化剂。
实验表明,与传统的Ti - MCM - 41相比,它们具有较高的水热稳定性(沸水中的稳定时间超过100 h) 。
3. 3 溶胶- 凝胶法溶胶- 凝胶法具有反应过程易控制、设备简单、成本低,合成出的介孔固体纯度高、均匀性好、易于掺杂等优点。
高玲等[17]采用溶胶- 凝胶- 热解工艺,以PEG - 400为结构导向模板剂, 合成出介孔WO3薄膜。
通过测试表明,所制备的介孔WO3薄膜材料为立方晶相,其平均孔径在6. 37 nm,比表面积高达20. 69 m2 /g。
4. 4 其他方法N. Perkas等[ 18 ]以无机金属盐RuCl3为原料,在1, 2 - 亚乙基二醇环境中,利用超声化学法合成出了具有介孔结构的Ru掺杂TiO2 (Ru /TiO2 )光催化剂。
Zhang J ianling 等[19]以乙醇为反应介质, PluronicP123作为模板剂,以钛酸丁酯为钛源,六水合硝酸铕为铕源,在相对较低的温度(120 ℃)下,用溶剂热法合成出介孔Eu2 O3 - TiO2 材料, 比表面积为275. 1 m2 /g, 平均孔径为11. 2 nm, 孔容为0. 851 cm3 /g。
E. Stathatos等[ 20 ]以Triton X - 100 作为模板剂,在环己胺溶液中形成反胶束,以AgNO3溶液为Ag源,以钛酸丁酯为钛源,合成出Ag 掺杂的介孔TiO2薄膜光催化剂,Ag掺杂的效率较高,原子力显微镜研究还表明,制得的介孔TiO2颗粒呈单分散球形颗粒。
4 介孔材料的孔径调节由于孔道结构、孔径大小和孔容积直接体现了介孔材料的优良性能,也就影响着其潜在用途。
例如,增大孔径为载入到孔道内的离子或原子簇提供了较大的空间,有利于反应物和溶剂分子在孔道中的扩散。
虽然合成不同孔径的介孔材料已取得了长足的进展,但从机理上增大孔径,并较准确地控制使孔结构和孔分布,还是一个尚待研究的问题。
无论哪种方法合成的介孔材料第一步都是以表面活性剂为模板,通过缩小或扩大胶团尺寸可达到改变介孔材料孔径的目的。
调节孔径的主要方法有:(1)使用不同的表面活性剂做模板,这是控制介孔材料孔径的主要因素[21]。
表面活性剂的不同,合成过程的作用机理及合成介孔硅材料的性能有差异。
如使用中性表面活性剂时,由于不存在强的静电作用,只通过氢键的键和作用与使用带电表面活性剂相比更有助于形成长程有序度高和壁厚的介孔材料。
另外,共溶剂如各种醇、醚、乙二醇、羧酸、酰胺、酮类等的添加对硅基介孔材料的结构和尺寸也有影响,这是因为共溶剂可以改变表面活性剂胶团的聚集数和组合方式。
(2) 通过调节表面活性剂的碳链长度粗略实现控制孔径大小如长链季铵盐和中性有机胺可通过改变脂肪链的长度改变孔径[22]。
因为表面活性剂碳链越长,形成棒状胶束时,其直径越大。
只使用十二烷基二甲基胺表面活性剂并进行水热处理就可使二氧化硅的孔径从3nm左右增大到1O.9nm[23]。
(3) 添加一些憎水的有机物[24],使之进入表面活性剂胶束的憎水基团内部,并使胶束的直径因其添加而增大,达到增大介孔材料尺寸的目的。
这类有机物包括饱和链烷烃、芳香烃、醇类等。
(4) 温度。
在介孔材料的制备过程中,合成温度、老化温度和晶化温度都对介孔的结构、孔径、孔容和水热稳定性等方面有很大的影响[25]。