介孔二氧化硅的合成与表征

介孔二氧化硅的合成与表征摘要：采用溶胶凝胶法，在酸性条件下用na2sio3作为硅源，在碱性条件下用teos作为硅源，合成了介孔二氧化硅。小角x衍射表明在酸性条件下，十六烷基三甲基溴化铵(ctab)的浓度为0.01mol/l，na2sio3的浓度为0.1mol/l时，合成二氧化硅的介孔结构明显。碱性条件下，teos浓度为5%～10%(体积比)时，得到明显介孔结构的二氧化硅。关键词：介孔二氧化硅硅酸钠正硅酸乙酯一、前言无机多孔材料，因为具有较大的比表面积和吸附容量，而被广泛应用于催化剂和吸附载体中。按照孔径大小，多孔材料可分为：微孔(microporous)、介孔(mesoporous)和大孔(macroporous)材料。无机微孔材料孔径一般50nm，包括多孔陶瓷、水泥、气凝胶等，其特点是孔径尺寸大，但分布范围宽。介于二者之间的称为介孔(中孔)材料，其孔径在2～50nm范围，如一些气凝胶、微晶玻璃等，它们具有比微孔材料大得多的孔径，但这类材料同样存在孔道形状不规则、尺寸分布范围广等缺点。1992年，kresge，etal首次在nature杂志上报道了一类以硅铝酸盐为基的新颖的介孔氧化硅材料m41s，[1、2]其中以命名为mcm-41的材料最引人注目。其特点是孔道大小均匀、六方有序排列、孔径在1.5一l0nm范围可以连续调节，具有高的比表面积和较好的热稳定及水热稳定性，从而将分子筛的规则孔径从微孔范围拓展到介孔领域。这对于在沸石分子筛中难以完成的大分子催化、吸附与分离等过程，无疑展示了广阔的应用前景。同时，由于介孔氧化硅材料所具有的规则可调节的纳米级孔道结构，可以作为纳米粒子的“微型反应器”，从而为人们从微观角度研究纳米材料的小尺寸效应、表面效应及量子效应等奇特性能提供了重要的物质基础。这一发现突破了沸石分子筛材料孔径范围的限制，使得很多在沸石分子筛中难以完成的大体积分子的吸附、分离，尤其是催化反应的进行成为可能。同时，由于mcm-41材料的表面易于进行化学改性，为制备具有特定性能的复合材料提供了可能，也为纳米团簇材料在母体材料中的组装提供了方便。因此，近年来，介孔材料科学己经成为国际上跨化学、物理、材料等多学科的热点前沿领域之一，成为分子筛科学发展的一个重要里程碑。介孔氧化硅材料的研究已成为国际上众多领域的一个研究热点。介孔材料在分子催化、纳米反应器、光电子、生物等领域的应用前景及其展现出的优异特性引起广泛关注。[3]二、实验部分介孔氧化硅材料的合成需要表面活性剂、水、硅源、酸或碱等几种物质，如进行掺杂或装载等，则还需要其它物质源。其合成的一般过程是首先将表面活性剂、酸或碱加入到水中组成混合溶液，然后向其中加人硅源或其它物质源，反应所得产物经水热处理或室温陈化后，进行洗涤、过滤等处理，最后经锻烧或化学处理除去有机物，得到介孔材料。2.1主要试剂与仪器十六烷基三甲基溴化铵(ctab)，分析纯，中国医药集团上海化学试剂公司。正硅酸乙酯(teos)，分析纯，汕头市光华化学厂。氢氧化钠、盐酸、硅酸钠均为分析纯。小角x衍射仪，brukerd8-advance公司lowerangle-xd。2.2实验方法取一定量的ctab于250ml三口烧瓶中，加100ml蒸馏水，在60℃水浴上溶解，恒温，边搅拌边加入hcl或naoh溶液，然后在搅拌下缓缓加入硅源，恒温24h，室温静置7天，过滤，110℃干燥，得到白色粉末。再在550℃煅烧6h。取样，研磨，在小角x衍射仪上测定小角范围内的衍射。[4]2．3结果与讨论①酸性条件下介孔二氧化硅的合成酸性条件下，选择na2sio3作为硅源。固定模板剂ctab的浓度为0.01mol/l。该浓度约等于ctab临界胶束浓度的10倍。分别调整na2sio3的浓度为0.1mol/l，0.2mol/l，0.5mol/l，hcl的浓度为0.01mol/l，0.1mol/l，1mol/l，进行9次实验。其中只有hcl的浓度为0.1mol/l，na2sio3的浓度为0.1mol/l时，得到比较好的介孔二氧化硅。该条件下的产品的小角x衍射图谱如图1。②碱性条件下介孔二氧化硅的合成碱性条件下，选取teos为硅源。同样固定模板剂ctab的浓度为0.01mol/l。分别调整naoh的浓度为0.1mmol/l，1mmol/l，10mmol/l，teos的加入量为5ml，10ml，20ml，进行9次实验。得到当ctab为0.01mol/l，naoh的浓度为1mmol/l，teos为510ml时，能够得到较好介孔二氧化硅如图2。naoh浓度为10mmol/l时没有得到介孔二氧化硅。其它情况得到的介孔特征峰比较低。三、结论本工作采用溶胶凝胶结合成介孔二氧化硅，研究不同条件下介孔二氧化硅的合成，得出以下结论，在酸性条件下以硅酸钠为硅源合成介孔二氧化硅时，物料比以及ph值控制要求比较严格，ctab的浓度为0.01mol/l，na2sio3的浓度为0.2mol/l，hcl浓度为0.1mol/l比较合适，得到介孔二氧化硅的孔径为3.96nm。在碱性条件下以teos为硅源合成介孔二氧化硅材料，关键是在控制ph值，naoh的浓度为1mmol/l比较合适，得到介孔二氧化硅的孔径为4.10nm。四、发展方向无论从实际应用（如膜的吸附、分离与催化、催化或色谱用载体小球以及新型生物功能材料的开发等）和学术研究（如生体矿化作用、仿生化学）等，通过软化学途径进行定向设计和化学裁剪具有优良性能的介孔纳米结构材料，是现代无机合成和制备化学中的前沿课题之一。因此，着重解决的问题有：①发展新的研究内容，包括合成、表征及介孔纳米结构材料性质的转变，结合无机或有机功能材料复合、组装与杂化的理论进行研究。②对介孔纳米结构材料合成机理的认识仍是研究的热点，同时随着计算机模拟多孔材料形成过程的进一步发展及现代表征技术手段的提高，将有助于从分子水平或微观结构上更好的理解有机表面活性剂-无机物骨架之间的相互作用。③寻找新的模板分子，设计特殊的空间结构，为介孔纳米结构材料的合成创造新的合成路线。④通过对介孔纳米结构材料形貌的控制，制备出不同形状，性质各异的材料。⑤大力开展介孔纳米结构材料在催化、有机高分子分离、电子器件、传感器等方面的实际应用。参考文献：[1]kresgect．leonowiczme，rothwj．eta1．najure．1992．359：710—712[2]介孔氧化硅材料的研究进展.中国新技术产品精选.纳迷研究进展:p100[3]曹玉霞，沈毅，孙景卫.硅基介孔材料的合成及表征.河北理工大学学报(自然科学版)2008年5月.第30卷第2期:p52[4]杨涛,周从山,晁自胜.介孔二氧化硅的合成与表征.湖南冶金职业技术学院学报.