多孔材料化学自学材料-2013-2014
- 格式:doc
- 大小:4.95 MB
- 文档页数:9
材料化学中的多孔材料的制备与应用材料化学是一门研究材料结构、性能和制备方法的学科,其中多孔材料是材料化学领域中的一个重要研究方向。
多孔材料具有独特的孔隙结构和表面特性,广泛应用于催化剂、吸附材料、分离膜等领域。
本文将介绍多孔材料的制备方法和应用。
一、多孔材料的制备方法多孔材料的制备方法多种多样,常见的有模板法、溶胶-凝胶法和气相法等。
模板法是一种常用的制备多孔材料的方法。
它利用模板物质的作用,在模板物质周围形成孔隙结构。
常见的模板物质有有机分子、无机盐和生物大分子等。
例如,使用聚合物作为模板,可以通过聚合物的热解或溶解来制备多孔材料。
溶胶-凝胶法是一种将溶胶转化为凝胶的方法。
溶胶是指由固体颗粒或分子均匀分散在液体中形成的胶体系统。
凝胶是指溶胶在外界条件下发生凝胶化,形成固体的过程。
通过调控溶胶的成分和条件,可以制备出具有不同孔隙结构和表面性质的多孔材料。
气相法是一种利用气相反应来制备多孔材料的方法。
它通过控制气相反应的条件,使气相中的物质在固体表面上发生反应,形成多孔结构。
常见的气相法包括热解法、气相沉积法和气相扩散法等。
例如,通过热解法可以制备出具有高比表面积和孔隙度的多孔材料。
二、多孔材料的应用多孔材料在催化剂、吸附材料和分离膜等领域有着广泛的应用。
在催化剂领域,多孔材料被广泛应用于催化剂的载体和催化反应的催化剂。
多孔材料具有高比表面积和孔隙度,可以提供更多的活性位点和反应通道,提高催化剂的催化性能。
例如,将金属纳米颗粒负载在多孔材料上,可以制备出高效的催化剂,用于有机合成和能源转换等领域。
在吸附材料领域,多孔材料被广泛用于气体和液体的吸附分离。
多孔材料具有丰富的孔隙结构和表面化学性质,可以选择性地吸附不同分子。
例如,将多孔材料应用于水处理领域,可以去除水中的重金属离子和有机污染物,实现水的净化和回收利用。
在分离膜领域,多孔材料被广泛应用于气体和液体的分离和纯化。
多孔材料具有可调控的孔隙结构和分子筛效应,可以实现对不同分子的选择性分离。
化学中的多孔材料研究和应用随着科技的不断发展和需求的不断提高,多孔材料日益成为化学领域的研究热点。
多孔材料具有体积大、比表面积高、空隙结构多样等优良性质,能够广泛应用于催化、吸附、分离、储能等领域。
本文将着重介绍多孔材料的概念、分类及在不同领域的应用。
一、多孔材料概念及分类多孔材料是指具有孔隙结构的材料,这些孔隙具有一定的大小、形状和分布。
由于这些孔隙的存在,多孔材料比普通材料具有更大的比表面积和更高的吸附能力,因此在许多领域中具有广泛的应用。
根据孔隙大小和形状的不同,多孔材料可以分为微孔材料、介孔材料和大孔材料三类。
1. 微孔材料微孔材料的孔径一般在2-50 Å之间,具有高的比表面积、高的吸附能力和选择性。
常见的微孔材料有分子筛、活性炭、碳分子筛等。
分子筛是一种以硅铝比为基础的高孔隙材料,具有非常高的表面积、高的吸附能力和选择性。
分子筛的孔隙大小通常在0.3-1.0 nm之间,这些孔隙的形状和大小决定了分子筛在催化、吸附和分离等领域的广泛应用。
活性炭是一种多孔材料,其多孔结构和大的比表面积能使其吸附气体、液体、溶液等的能力大大增强。
目前常见的活性炭的制备方法有物理法和化学法。
碳分子筛是一种以石墨为原料制备的多孔材料,具有高的微孔比表面积、超高的孔容和较好的机械稳定性,可广泛应用于甲烷储气、二氧化碳分离等方面。
2. 介孔材料介孔材料的孔径在50 Å-500 Å之间,比微孔材料的孔径大了许多,但比大孔材料的孔径小。
介孔材料的孔径大小介于分子筛和大孔材料之间,因此它们的吸附能力和选择性通常也在这两者之间。
常见的介孔材料有硅胶、氧化铝等。
硅胶是一种具有高比表面积和良好分散性的固体颗粒,广泛应用于柱层析、催化剂载体、吸附剂等方面。
硅胶分为非晶态硅胶、晶体硅胶和中孔硅胶等多个类别。
氧化铝是一种重要的催化剂载体材料,具有良好的化学稳定性、高的塑性和较好的磨耗性。
氧化铝主要分为非晶态氧化铝、晶体氧化铝和介孔氧化铝等多个类别。
化学方法制备多孔材料及其在催化中的应用引言:多孔材料是近年来材料科学中的研究热点之一。
在过去的几十年中,化学方法制备多孔材料的技术得到了快速的发展,其在催化领域中的应用也日益广泛。
本文将介绍几种常见的化学方法制备多孔材料的技术,并探讨其在催化中的应用。
一、模板法制备多孔材料模板法是一种常见的制备多孔材料的方法。
通过选择适当的模板材料,可以得到具有不同孔径和孔结构的多孔材料。
一种常见的模板法是利用硬模板,如聚苯乙烯微球或硅胶微球作为模板,在其表面形成包覆层,然后通过煅烧或化学溶解来去除模板,得到多孔材料。
这种方法制备的多孔材料具有均匀的孔径和良好的结构稳定性,被广泛应用于催化领域中的吸附、分离和催化反应等。
二、溶剂挥发法制备多孔材料溶剂挥发法是一种简便、低成本的制备多孔材料的方法。
通过选择适当的溶剂和多孔材料前驱体,溶解前驱体于溶剂中,并在溶剂挥发时形成多孔结构。
溶剂挥发法制备的多孔材料具有较大的比表面积和丰富的孔体积,可用于吸附、分离和催化反应等领域。
三、气-液界面法制备多孔材料气-液界面法是一种利用界面活性剂在气-液界面上自组装形成多孔材料的方法。
通过选择不同的界面活性剂和表面活性剂,可以调控多孔材料的孔结构和孔径。
该方法制备的多孔材料具有可调控的孔结构和较大的比表面积,可用于催化反应、分离纯化和储能等方面。
四、多孔材料在催化中的应用多孔材料在催化中具有重要的应用价值。
首先,多孔材料具有较大的比表面积和丰富的孔结构,可提供更多的活性位点,提高催化反应的效率。
其次,多孔材料具有可调控的孔结构,可以调节反应物分子的扩散速率和催化剂表面与反应物的接触面积,实现选择性催化。
此外,多孔材料还可以作为载体用于催化剂的负载,提高催化剂的稳定性和寿命。
结论:化学方法制备多孔材料是一种重要的技术手段,可以得到具有可调控的孔结构和较大比表面积的多孔材料。
这些多孔材料在催化领域中有着广泛的应用,包括吸附、分离和催化反应等。
多孔材料的制备和应用多孔材料是一种具有许多小孔和孔道的材料,可以按照其材料种类、制备方式等不同的特征进行分类。
这种材料在化学、生物、材料等领域中有广泛的应用,例如催化剂、吸附剂、分离材料等。
本文将从多个角度介绍多孔材料的制备和应用。
一、多孔材料的制备1.溶胶-凝胶法(Sol–gel process)该方法是一种利用溶胶和凝胶的构象转变来制备多孔材料的方法。
首先将一种溶胶和另一种溶剂混合,并加入催化剂。
溶胶通过溶解催化剂,触发了反应,并凝胶化成一种固体材料。
性能良好的多孔材料通常需要经过高温处理得到。
2.氧化还原法(Redox process)氧化还原法是利用氧化还原反应(redox reaction)来制备多孔材料的方法。
在该法中,通常使用两种不同材料之间的氧化还原作用来形成孔隙。
钛酸铋(TiO2-Bi)是一种常见的多孔材料,其制备过程从阳极化铋开始,然后向铋中添加氢氧化钠(NaOH),使其脱水并形成多孔材料。
3.气凝胶法(Aerogels)气凝胶法是以超临界流体干燥为基础的一种制备多孔材料的方法。
在该方法中,将稀有气体如氦气和二氧化碳加入混合物中,并使之达到超临界状态,然后将混合物凝胶化。
这种材料被称为气凝胶,并被广泛应用于隔热、吸声等方面。
二、多孔材料的应用1.吸附剂多孔材料的一个主要应用是作为吸附剂,用于除去液态或气态中的污染物质。
当水或气体通过多孔材料时,它会被材料中的孔洞捕捉,从而有效地除去污染物。
常见的吸附材料包括活性炭、沥青和硅胶。
2.分离材料多孔材料还广泛应用于分离材料领域。
例如,通过使用多孔材料如分离膜,可以将不同种类的液体和气体分离开来。
多孔材料的结构可以精确控制,从而允许将不同的分子大小和形状分离开来。
3.催化剂多孔材料还被广泛用作催化剂,这是由于它们的高表面积和可调控的孔径大小。
常用的多孔催化材料包括散担催化剂、载体型催化剂和交联多孔聚合物催化剂。
多孔材料的结构可以精确控制,从而允许对催化剂活性、选择性和稳定性进行更好的控制。
多孔材料化学自学材料引言什么是材料?材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。
――师昌绪主编:《材料大辞典》p.58材料是“具有一定性能的物质, 可以用来制成一些机器、器件、结构和产品”美国科学院、美国工程院联合编写《材料:人类的需求》综合起来较好的定义:材料是人类社会能够接受的、经济地制造有用器件的物质材料的分类按材料的组成分类金属材料钢铁材料、非铁材料、合金有机高分子材料天然的、合成的无机非金属材料陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷复合材料按材料的用途分类结构材料:支撑件、连接件、传动件、紧固件等功能材料:磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、敏感材料、能源材料、生物医学材料等结构材料与功能材料的划分并不严格按材料内部原子排列情况分类晶态材料非晶态材料液态材料气态材料从材料尺度角度分类三维材料块体材料二维材料薄膜、涂层等 (金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)一维材料纤维、晶须等 (光导纤维、高强纤维)零维材料粉体新材料的发展方向高性能化、高功能化、高智能化复合化极限化仿生化环境友好化定义:材料化学是材料科学的一个重要组成部分,在化学学科中通常也称为“固体化学”。
材料化学介绍的是从化学角度来进行材料科学研究所需要的基本知识。
材料的四要素成份/结构、制备/合成、性能和使用效能及其关系第一章绪论1.1 什么是多孔化合物(多孔物质,多孔材料)?多孔化合物与以多孔化合物为主体的多孔材料,它们的共同特点是具有规则而均匀的孔道结构:大部分常用的多孔材料,都具有规则而均匀的孔道结构:孔道的大小、形状;孔道的维数、孔道的走向、孔壁的组成与性质。
孔道的大小尺寸是多孔结构中最重要的的特征。
根据国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的定义,多孔材料(porous material)可按孔径大小分为三类:小于2纳米为微孔(micropore); 2~50纳米为介孔(mesopore),意思是介于微孔和大孔之间;大于50纳米为大孔(macropore)。
有时也将小于0.7nm的微孔为超维微孔,大于1μm的大孔为宏孔(macropore)。
以上分类是基于孔直径,或更随意一点地说为孔宽,其中介孔固体属于纳米材料领域的范围1.2 多孔材料的发展历史1756年瑞典科学家Cronsted发现第一种天然沸石(zeolite)—辉沸石(STI)以来,至今已发现的天然沸石有30多种。
人工合成沸石的研究始于40年代,已有120多种不同结构的沸石分子筛问世...多孔材料发展轨迹:1. 天然沸石到合成沸石;2. 低硅沸石到高硅沸石;3. 从微孔到超大微孔;4. 从超大微孔到介孔;5. 从无机多孔骨架到有机多孔骨架。
1.3 多孔材料主要应用领域•吸附材料。
用于工业与环境上的分离与净化、干燥等。
•催化材料。
用于石油加工、石油化工、煤化工领域中大量的工业催化工程的需要。
•离子交换材料。
大量用于洗涤工业、矿产与放射性废料及废液的处理等。
1.4 多孔材料化学的主要任务化学最重要的任务是创造新物质。
同样,合成与制备是材料化学的核心,它总是处于学科发展的前沿。
在多孔材料化学的研究中,一般是“合成-结构-性能” 的研究模式。
同时也常有“拟向而行” 的模式:以功能为导向进行结构的设计,逐步实现对特定功能与结构的化合物及材料的定向合成。
研究内容(对应于材料的四要素)材料中原子、离子或分子的排列方式、不同组成间的化学关系等材料制备工艺过程中的化学问题材料的化学性质以及其他各类性质中的化学因素材料的化学效能如何第二章微孔化合物已经知道, 2纳米以下的孔为微孔,那么其中具有规则的微孔孔道结构的物质称为微孔化合物(microporous compounds)或分子筛(molecular sieves)。
分子筛、沸石、微孔材料三个概念间的关系。
1932年McBain提出了“分子筛”的概念,表示在分子水平上筛分分子的多孔材料。
具有分子筛作用的物质很多,如:天然的及合成的沸石,碳分子筛,微孔玻璃,某些有机高聚物,某些无机物的薄膜等,其中沸石应用最广。
沸石(zeolite)是人们最早发现的天然微孔硅铝酸盐(natural aluminosilicate), 最早发现存在于玄武岩的孔洞中,到19世纪末发现主要存在于沉积岩中。
虽然沸石只是分子筛中的一种,但是沸石在其中最具代表性,因此“沸石”和“分子筛”这两个词经常被混用。
所以三者间的范畴:沸石<分子筛<微孔化合物沸石分子筛是无机微孔晶体化合物中最重要的家族,国际分子筛协会(IZA)公布的分子筛骨架结构类型:2001年133种;2003年145种;2005年165种;2007年176种;2010年已有194种骨架,截止到2013年7月底已有213种骨架类型被确定。
•1756 瑞典科学家Cronstedt发现天然沸石•1840 Domour发现沸石可逆的吸水作用•1858 Eichhorn发现沸石的离子交换性能•1862 St Claire-Deville 水热合成了插晶菱沸石•1930 Taylor 和Pauling 用X射线测定第一个沸石晶体的结构•1932 McBain提出了分子筛的专用名词•20世纪30-40年代英国科学家Barrer在吸附和水热合成方面做了大量工作,并对沸石按对分子大小的筛分能力进行了分类。
•1948年Barrer首次报道了天然丝光沸石的人工合成。
•1949---1954年间Milton和Breck合成了一系列有工业应用价值的沸石,称之为Linde A,X和Y型沸石。
•1959年UCC公司首次推出名为isosiv的正异构烷烃分离工艺。
•1962年Mobil Oil公司将合成X型沸石用于催化裂化。
•1967-1969年Mobil Oil公司发明了制备高硅β-沸石和ZSM-5沸石的方法•1982年Wilson等报道了AlPO4分子筛的研究,随后又介绍了与其相似的SAPO、MeAPO、MeAPSO、ElAPO、ElAPSO分子筛,12元环的限制打破•1983年Taramasso成功合成了钛硅分子筛,称为TS-1。
•1988年Davis成功合成了具有十八元环的VIP-5分子筛•20世纪90年代Estermann和徐如人分别报道了两种新的具有二十元环的超大孔Cloverite和JDF-20分子筛•1992年Kresge用表面活性剂合成了一系列全新的MCM介孔分子筛•近二十年,金属有机骨架(MOF)等材料大量兴起天然沸石命名:(1)矿物学家和化学家的名字;(2)产地命名;(3)形态组成命名(希腊语);合成沸石命名:主要以研制的公司和大学等研究机构命名。
沸石分子筛的分类方法:•按孔大小分类:微孔,超微孔,介孔等•按沸石的结构分类:方沸石,菱沸石,钠十字沸石,片沸石,丝光沸石,八面沸石,等•我国提出的按骨架结构特征和所属晶系分类•从沸石的制备角度,可方便地将沸石分为:①常规的低硅铝比沸石,如:A型,X型,Y型和丝光沸石等,这类沸石利用无机的碱金属例子做结构导向剂就能合成,这类沸石矿物自然界有存在。
习惯上把SiO2/ Al2O3 摩尔比为2.2~3.0的叫作X型分子筛,大于3.0的叫作Y型分子筛②高硅铝比或非硅沸石,代表性的如:β型和ZSM-5型沸石,还有SAPO、MeAPO等非硅型沸石。
该类沸石只有在有机结构导向剂存在才能合成,自然界基本没有③介孔分子筛,需要较大的表面活性剂为导向剂才能合成,自然界没有存在。
如:MCM,SBA等④其他的发展中的新的孔材料等沸石分子筛的结构特点:1.分子筛都具有一定的骨架结构2.具有高的比表面积3.经过结构修饰可以调整表面吸附特性4.骨架周围有化学活性位5.微孔所在的孔壁上骨架原子形成了很强的静电场,能活化进入其中的分子6.具有分子大小的孔道和笼结构,能进行分子筛选,选择吸附与催化7.骨架外存在大量离子,可通过交换吸附离子转换分子筛的性能8.孔道结构可以被修饰,获得特定的吸附和催化性能9.孔道中可以锚定其他功能分子,制备多功能材料10.具有高的水热稳定性,能在苛刻条件下保持性能分子筛的结构分子筛的化学组成一般的化学组成式为:M n/2 O·Al2O3·x SiO2·y H2OM:金属离子,人工的通常为钠离子;n : 金属离子的氧化数;x:SiO2的分子数;y:H2O的分子数.2.1 初级结构单元分子筛是由TO4四面体之间通过共享顶点而形成的三维四连骨架2.2 次级结构单元(SBU)每个顶点代表一个T原子,两个T原子间的O原子被省略。
SBU中的T原子最多可达16个。
3.1骨架的组成1)硅铝酸盐的分子筛的骨架由SiO4AlO4四面体组成。
硅原子和铝原子半径相近,四面体中硅铝的排布或分布很难由常规的结构测定方法加以确定。
但规则(lowenstein规则)之一是四面体位置上的两个铝原子不能相邻:Al-O-Al连接是禁止的。
四面体中Al(4Si),Si(0Al4Si), Si(1Al3Si), Si(2Al2Si), Si(3Al1Si), Si(4Al0Si)。
习惯上把SiO2/Al2O3摩尔比为2.2~3.0的叫作X型分子筛,大于3.0的叫作Y型分子筛2)在磷酸铝分子筛中AlO4,PO4四面体严格交替,其中的Al和P可以被其它主族和过渡金属元素取代,如:Li,B,Si,Mg,Fe, Co 等,既:同晶取代。
3.2 阳离子在结构中的位置载沸石的晶穴和孔道中,由金属阳离子和水分子存在,他们在沸石中的位置对于沸石的性质有很大影响。
在小晶穴中阳离子的位置比较固定,一般只有一种位置。
晶穴增大,阳离子位置不易确定,常有几种不同的阳离子位置,而且,它们仅是部分地占据着这些位置3.3分子筛的孔口环数与孔道维数分子筛的孔道由n个T原子所围成的环(窗口)所限定,根据孔道环数的大小,分子可被描述为小孔、中孔、大孔分子筛:8元环(4 Å )以下为小孔,10元环(5.5Å)左右的为中孔分子筛,12元环以上的为大孔分子筛。
分子筛中最常见的是8、10、12元环。
孔道体系可以是一维、二维、三维3.4骨架密度区别分子筛以及类分子筛微孔材料同网致密材料的一个简单标准是骨架密度(FD):即每1000 Å3体积内四面体配位的T原子数目,非分子筛骨架结构FD>20~21,分子筛的FD在12.1~20.6间变化。
补充知识:颗粒(孔)材料常用的几个密度概念堆密度又称松密度,指粉体质量除以该粉体所占容器的体积,求得的密度。
其所用的体积包括粒子本身的孔隙以及粒子之间空隙在内的总体积。
视密度,又称颗粒密度。
即单个颗粒的密度。
如单个催化剂颗粒质量为m,颗粒体积为V粒,则视密度ρ视=m/粒。