以液晶为模板合成高比表面的层状介孔材料的研究

发布时间：2020-04-05 15:47

【摘要】：自从M41S系列介孔材料合成后,介孔材料一直被应用在吸附-分离,催化,生物,色谱分析和药物运输等领域。这很大程度由于它们具有孔径均一、可调;比表面积较大等特点。介孔材料优越的特点与其多样的微观孔结构及宏观形态密切相关。本论文描述了一种合成介孔二氧化硅新型有效的方式,该方式是以混合阴阳离子表面活性剂:十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和十二烷基硫酸钠(SDS)自组装形成的层状液晶(LC)为模板。通过探究温度对LC结构的影响及不同表面活性剂浓度和配比下体系的相行为,确定了形成LC区的范围,并且通过偏光电子显微镜的观察得到了层状液晶所具有的明显的“十字花”结构。在层状LC为模板的基础上,本文还探究了合成温度、表面活性剂浓度、pH、CTAB相对配比、水硅比(溶剂与硅源的摩尔比R表示)等相关因素对介孔材料合成的影响,凭借电镜测试及N2吸附试验对材料的性质进行表征。研究结果出示着:温度影响着表面活性剂分子热运动的快慢,温度过高或者过低都不利于液晶结构的形成。在形成LC的温度范围内,合成样品的温度越高,样品比表面积越大,50℃为LC及层状二氧化硅结构形成最适宜的温度;并且CTAB/SDS混合体系的浓度逐渐增大时,LC会变的致密从而提高了二氧化硅的有序度;催化剂影响着硅源的水解缩聚反应,研究中采用盐酸为催化剂,当盐酸pH值减小时,酸性增强,样品的比表面积增大,有序性也逐渐提高,但是酸性过强时反而会压缩模板剂结构,导致二氧化硅的孔径尺寸减小,因此pH值为2时是最佳的催化条件。混合体系中CTAB量的改变影响着微观结构的形成,在CTAB过量的区域,随着CTAB配比的增加,合成的介孔二氧化硅的比表面积先增大后减小,这是体系的微观结构由胶束到液晶再到胶束形态变化的结果。当CTAB配比为72%时,比表面积达到最大约为800m2/g。水硅比是影响二氧化硅性质的重要因素,适量的硅源(R为50～70)不仅有利于自身的缩聚,还可以使模板剂结构更加稳定,从而形成高度有序的二氧化硅,少量或者过量的硅源不仅会减少二氧化硅的量,甚至会破坏液晶结构。此外SEM及TEM照片显示着合成的样品具有明显的层状结构。
【图文】：

多孔材料,微观结构

到介孔区域的扩大越来越感兴趣。例如重金属离子的分离，废水中的大机物的分离和选择性吸附，分子排列的超分子组装体的形成，骨架中的合物的封装，进入沸石分子筛的纳米粒子在电子和光学中的应用等都微孔材料的使用［１１＇１３１，由于微孔材料的孔径比较小（＜邋２ｎｍ），导致孔径分子无法进入其孔道中从而限制了其实际应用的范围。为了满足人们对大料的迫切需求，，拥有较大孔径材料的研宄和应用变得至关重要［１４］。逡逑大孔径的多孔材料主要包括多孔金属或非金属材料、泡沫塑料、多孔陶等。虽然其孔径比较大，有利于一些大分子物质的吸附、传递，但孔径均一，形状不规则，在实际应用中受到一定的限制很难被使用。因此促孔材料的出现，很好的填补了大孔与小孔材料的缺陷。有序介孔材料的介于小孔与大孔之间，比表面积较大，具有高度有序的三维结构。常孔固体材料包括二氧化硅和一些改性的层状材料［１５］。逡逑

示意图,合成过程,示意图,前驱物

出介孔材料的合成操作简易，易控。虽然操作简单但是其中包含较复杂的反应逡逑和自组装过程。过程主要涉及三种成分之间的联系：表面活性剂、无机前驱物逡逑和溶剂。图１．４为三者之间关系示意图。逡逑／句／逦介孔材料逦、譬＼逡逑／ｒｒ＼逡逑（＾）逦（＾）逡逑图１．４表面活性剂、无机硅源和溶剂之间的关系逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｓｕｒｆａｃｔａｎｔｓ，邋ｉｎｏｒｇａｎｉｃ邋ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｓｏｕｒｃｅｓ邋ａｎｄ邋ｓｏｌｖｅｎｔｓ逡逑图１．４显示的三种成分之间的关系是合成介孔材料的重点所在，每两种成分逡逑之间存在着较强的联系。模板剂在溶液中能够协同组装成多样的微观形态，该逡逑过程与表面活性剂浓度、反应温度、溶液的酸碱性（ｐＨ值）、添加剂等因素有逡逑关。无机前驱物（如烷氧化物）与溶剂的关系为典型的溶胶－凝胶过程。该过程逡逑同样受反应条件（温度等）、溶剂的ｐＨ值、添加剂等因素的影响。模板剂与硅逡逑源前驱物之间的静电作用是能否形成稳定的介孔结构的关键，两者之间的联系逡逑６逡逑
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.4

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