介孔二氧化硅材料1.pptx

介孔二氧化硅材料的制备与表征 姓名 专业 学号 2020 1 4 1 材料与化学化工学院 出处 山东师范大学文献 介孔二氧化硅材料的制备与表征作者 梁静霞 目录CONTENT 2020 1 4 2 材料与化学化工学院 1绪论 2020 1 4 3 材料与化学化工学院 一绪论 1 1多孔材料的定义与分类1 2介孔材料的研究进展1 3介孔二氧化硅材料的研究进展1 4介孔二氧化硅材料的应用研究1 4 1催化领域的应用1 4 2生物科技方面的应用1 4 3吸附 分离的应用1 5选题依据和研究内容 2020 1 4 4 材料与化学化工学院 1 1多孔材料的定义与分类 定义 具有许多一定大小的孔隙以及比表面积高的结构材料被称为多孔材料 特点 多孔材料比表面积高但是相对密度却较低 吸附性好并且质量很轻 能够很好地隔热隔音 渗透性相当好 从而在吸附 分离 隔热 消音 还有过滤等方面有很多应用 可以屏蔽电磁波 在化学方面进行反应催化和储蓄化学能 并且在各种生物工程方面有大量的实际应用 在航空航天 电子通讯 交通 医疗 环保 冶金 机械 化工和石化工业等与人类生活息息相关的产业方面有更广泛的应用 分类 2020 1 4 5 材料与化学化工学院 1 2介孔材料的研究进展 2020 1 4 6 材料与化学化工学院 1992年 J S Beck等人在碱性条件下得到了M 41S的一系列有序介孔材料 S Park等用阴离子表面活性剂开发了不同结构组成的介孔材料 T J Pinnavaia等人以中性胺表面活性剂和中性无机前驱物为介孔材料的模板合成了纳米介孔材料 D Y Zhao等人用PEO型三元嵌段共聚物作为模板合成得到了介孔SiO2材料 SBA 11 12 14 15 16 并且该材料是排列有序的 均是利用加入不同剂量的共溶剂从而使得材料的孔径大小在5nm 30nm范围内可调 P Y Feng等得到笼形介孔二氧化硅材料 FDU 1 孔径达到12nm R Ryoo等用MCM 48的介孔材料为模板 得到了有序炭介孔材料 1 3介孔二氧化硅材料的研究进展 科学家们首次利用甲烷基季铵盐阳离子这一表面活性剂作为模板从而合成出了M41S MCM 41 MCM 48 MCM 50 这一系列的氧化硅有序介孔分子筛 在碱性环境下共同导向剂和分散剂是以三嵌段聚醚非离子表面活性剂充当 而结构导向剂是阳离子长链季铵盐 从而制备出来了介孔大小在2nm 5nm范围内的球形并且有序的介孔二氧化硅纳米材料即MCM 41 在制备大孔径的有序介孔二氧化硅材料时 以嵌段聚醚非离子作为表面活性剂 在酸性条件下便可以制备出4nm 6 6nm的大孔径范围内的有序介孔二氧化硅材料 SBA 15型 2020 1 4 7 材料与化学化工学院 1 4介孔二氧化硅材料的应用研究 催化领域的应用 生物科技方面的应用 直接作为催化剂 有序介孔材料能够使产物的扩散速度加快 选择性达100 转化率可达90 由于结构的特点有灵活性和孔分布窄等 把掺杂氧化物金属 配合物等催化剂加入到有序介孔材料骨架中是现阶段有序介孔分子筛在催化剂中应用最广的研究方面 生物大分子 如酶 蛋白质 核酸等 分子的尺寸小于10nm 病毒尺寸的大小在30nm附近 孔径在2nm 50nm之间的有序介孔材料因为它没有毒性 使得该材料在酶 蛋白质等物质的分解 固定上起到了相当重要的作用 2020 1 4 8 材料与化学化工学院 吸附 分离的应用 作为理想的吸附或者改性材料 由于有序介孔材料具有大的比表面积以及较多的孔容量等特性 在分离以及吸附等应用领域有着更为广泛的作用 1 5选题依据和研究内容 介孔二氧化硅纳米材料兼具了介孔材料和纳米材料的双重特性 以及非常高的化学稳定性和生物相容性 合成方便 成本低廉等特点 使其除了在传统的介孔材料应用领域外 在其他领域如生物医药和基因工程等方面也显示了极大的应用前景 近年来 关于介孔二氧化硅材料的研究非常多 并且取得了很好的研究成果 但是仍然存在许多问题亟待解决 比如实验过程非常繁琐 介孔二氧化硅材料的结构还不够清楚 理论模型还需进一步研究 介孔材料的微观控制还不够精确等 目前水热合成法是介孔二氧化硅材料的主要合成方法 但是合成时间长 最少十几个小时 并且操作繁琐 因而缩短时间 简化流程是合成二氧化硅材料面临的主要任务 因此本文简化了水热法合成介孔二氧化硅的流程 并对合成的样品进行表征 2020 1 4 9 材料与化学化工学院 2介孔二氧化硅材料的制备及其形态控制 2020 1 4 10 材料与化学化工学院 二介孔二氧化硅材料的制备及其形态控制 2020 1 4 11 材料与化学化工学院 2 1介孔二氧化硅的制备过程2 2介孔二氧化硅材料的具体制备方法及表征2 2 1样品的SEM分析2 2 2样品的TEM分析2 2 3小角X 射线衍射2 2 4傅立叶变换红外光谱 FT IR 分析2 2 5核磁共振 NMR 2 2 6拉曼谱 Raman 2 3酸度对孔径大小及形貌的影响2 4温度对介孔二氧化硅材料的影响 2 1介孔二氧化硅的制备过程 3 之后再向上述水溶液体系中加入硅酸酯 其中有机表面活性剂与硅源的物质的量之比可以在25 1 1 500范围内 硅酸酯的物质的量浓度在0 02 5mol L之间 继续搅拌后分离 洗涤 离心并干燥 最后在高温下煅烧以去除表面活性剂 1 将过渡金属盐溶解于盐酸等酸性溶液中 在一定温度下搅拌使其完全溶解 所述的过渡金属离子浓度在0 1 1mol L之间 本方法可以用的过渡性金属盐可以是活泼金属的强酸盐 比如金属钠 镁 钾等金属的盐酸盐 硫酸盐和硝酸盐等 2 溶解之后向上述水溶液中加入有机大分子表面活性剂做模板然后继续在一定温度下磁力搅拌一段时间 所述表面活性剂与所加的盐酸盐的物质的量之比在5 1 500 1之间 并且表面活性剂的物质的量浓度在一定范围内 2020 1 4 12 材料与化学化工学院 2 2介孔二氧化硅材料的具体制备方法及表征 2020 1 4 13 材料与化学化工学院 例一将0 3g的过渡性金属盐ZnCl2加入到100mL物质的量浓度为2mol L的稀盐酸溶液中 在35 恒定温度时用磁力搅拌使金属盐完全溶解在水溶液里 然后向上述体系中加入2 5g非离子表面活性剂P123 在恒温35 时磁力搅拌3小时 之后向上述体系中滴加5 6mL正硅酸四乙酯 TEOS 之后继续搅拌6小时 室温下静置24小时 倒出上清液 将剩余白色沉淀物转移至坩埚中 最后在550 条件下煅烧3小时 箱式炉每分钟升温5 图2 1 a TEM图片 图2 1 b SEM图片 2 2介孔二氧化硅材料的具体制备方法及表征 2020 1 4 14 材料与化学化工学院 例二将0 3g的过渡性金属盐ZnCl2加入到100mL物质的量浓度为1mol L的稀盐酸溶液中 在35 恒定温度时用磁力搅拌使金属盐完全溶解在水溶液里 然后向上述水溶液体系中加入2 5g非离子表面活性剂P123 在恒温35 时磁力搅拌3小时 之后向上述体系中滴加5 6mL正硅酸四乙酯 TEOS 之后继续搅拌6小时 室温下静置24小时 倒出上清液 将剩余白色沉淀物转移至坩埚中 最后在550 条件下煅烧3小时 箱式炉每分钟升温5 图2 2 a TEM图片 图2 2 b SEM图片 2 2介孔二氧化硅材料的具体制备方法及表征 2020 1 4 15 材料与化学化工学院 例三将0 3g的过渡性金属盐ZnCl2加入到100mL物质的量浓度为2mol L的稀盐酸溶液中 在35 恒定温度时用磁力搅拌使金属盐完全溶解在水溶液里 然后向上述水溶液体系中加入2 5g非离子表面活性剂F127 在恒温35 时磁力搅拌3小时 之后向上述体系中滴加5 6mL正硅酸四乙酯 TEOS 之后继续搅拌6小时 室温下静置24小时 倒出上清液 将剩余白色沉淀物转移至坩埚中 最后在450 条件下煅烧3小时 箱式炉每分钟升温5 图2 3 a TEM图片 图2 3 b SEM图片 2 2 1样品的SEM分析 2020 1 4 16 材料与化学化工学院 按例一的条件制备样品1 6 仅改变盐酸的浓度 如下所示 2 2 1样品的SEM分析 2020 1 4 17 材料与化学化工学院 样品1HCl 2mol L 样品2HCl 1mol L 样品4HCl 0 1mol L 样品3HCl 0 5mol L 样品5HCl 0 01mol L 样品6HCl 0 001mol L 2 2 2样品的TEM分析 2020 1 4 18 材料与化学化工学院 样品1HCl 2mol L 样品2HCl 1mol L 样品3HCl 0 5mol L 样品4HCl 0 1mol L 样品5HCl 0 01mol L 样品6HCl 0 001mol L 2 2 3小角X 射线衍射 2020 1 4 19 材料与化学化工学院 当酸度为1mol L时 在2 1 2 处有一个小峰 说明此薄片状材料的孔道排列具有一定的有序性 当酸度为0 01mol L时 未出现小角衍射峰 说明被测样品的有序度下降 不存在平行排列的有序孔道 但并不能排除孔道的存在 当酸度为0 001mol L时 未出现小角衍射峰 说明这种酸度下制备的二氧化硅高度有序孔道不存在 或者说在SiO2超微结构中孔道已经消失 由此可知 上述三种情况下小角X 射线衍射结果与TEM观察结果基本一致 2 2 4傅立叶变换红外光谱 FT IR 分析 2020 1 4 20 材料与化学化工学院 图中1 2 3分别为在1mol LHCl 0 01mol LHCl 0 001mol LHCl的条件下制备的介孔SiO2的红外光谱图 由图可见 1100cm 1处宽并强的峰是非对称的Si O Si反对称伸缩振动峰 790cm 1 500cm 1处的吸收带为对称的Si O Si伸缩振动峰 3450cm 1处的非常宽且强的峰是结构水分子的 OH反对称伸缩振动峰 其中的三个吸收峰是SiO2的典型特征吸收峰 红外光谱表明样品中存在大量的桥氧结构 表明已生成SiO2 红外吸收光谱表明 酸度不同时 Si OH基团的O H伸缩振动强度略有不同 其中 HCl浓度是1mol L时峰最强 随HCl浓度的降低 峰强逐渐减弱 2 2 5核磁共振 NMR 2020 1 4 21 材料与化学化工学院 纳米介孔二氧化硅材料表面存在着3种硅羟基 包括单羟基HS 氢键羟基Hh和双羟基Hg 我们在检测时一般运用核磁共振技术直接地定量地检测这三个硅羟基 图中在7 2和0处有两个强峰 在2 6处有1个弱峰 在2 2处有一个弱峰 在1 2处有一个弱峰 三个峰的强度比依次减弱 归属于纳米介孔材料中3种不同的硅羟基 即单羟基HS 氢键羟基Hh和和双羟基Hg 2 2 6拉曼谱 Raman 2020 1 4 22 材料与化学化工学院 出现在1000cm 1附近的峰为SiO2的特征峰 证明了SiO2的生成 其峰位置向右偏移发生蓝移 这是由SiO2介孔结构的纳米小尺寸效应引起的 2 3酸度对孔径大小及形貌的影响 2020 1 4 23 材料与化学化工学院 实验数据显示 在盐酸的水溶液环境下 以三嵌段共聚化合物P123为模板 介孔材料的孔径大小随着酸度的增强 呈现减小的趋势 且当HCl的物质的量浓度为1 2mol L时 孔径基本维持在6nm 7nm之间 2 4温度对介孔二氧化硅材料的影响 2020 1 4 24 材料与化学化工学院 b 500 a 550 c 450 从图中我们可以看出在550 煅烧温度下合成的纳米介孔二氧化硅的介孔具有较好的长程有序性 随着煅烧温度的降低 介孔材料的长程有序性有所降低当煅烧温度在450 时 介孔二氧化硅材料的介孔结构趋于无序 孔道结构存在缺陷 3介孔二氧化硅材料的形成机理研究 2020 1 4 25 材料与化学化工学院 三介孔二氧化硅材料的形成机理研究 3 1液晶模板机理 3 2协同作用机理 3 3水热法合成介孔二氧化硅材料的形成机理 2020 1 4 26 材料与化学化工学院 3 1液晶模板机理 2020 1 4 27 材料与化学化工学院 首先把硅源物质加入到体系中 之后加入表面活性剂以形成棒状胶束 这些棒状胶束通过自组装有序排列形成六方液晶结构 然后这种六方有序液晶结构与硅源物质相结合 再通过物理化学的处理 形成介孔材料 当表面活性剂浓度较大时 合成介孔材料之前首先把表面活性剂加入反应体系中 通过物理化学的作用形成了有序规则排列的六方液晶结构 之后把硅源加入上述体系中 在反应体系中硅源物质填充在六方液晶模板中 LCT机理的核心是认为液晶作为模板 这个机理简单直观 而且可直接借用液晶化学中的某些概念来解释合成过程中的很多现象 对介孔材料发展起到了重要作用 3 2协同作用机理 2020 1 4 28 材料与化学化工学院 无机物与有机物在分子级别时可以在物种之间存在协同作用 在合成的初级阶段 加入表面活性剂并没有并没有形成液晶相 液晶相是在加入无机物之后产生的 这时的液晶相才是介孔材料合成时所用的模板剂 在反应体系中硅酸盐带有大量的负电荷 由于硅酸盐阴离子与表面活性剂亲水端发生强烈的相互作用 这种情况下界面区域的硅酸盐齐聚物与模板剂有强烈的相互作用以发生聚合 这种变化会优先发生在表面活性剂与无机硅源的界面上 导致无机层的电荷密度发生变化 这种变化会进一步促进无机硅源与有机表面活性剂的相互结合 而无机物种和有机物种之间的相互作用决定了表面活性剂的排列方法 3 3水热法合成介孔二氧化硅材料的形成机理 2020 1 4 29 材料与化学化工学院 2020 1 4 材料与化学化工学院 30 3 3