具有多级孔道结构的介孔碳、氧化硅和沸石分子筛材料的制备

1、具有多级孔道结构的介孔碳、氧化硅和沸石分子筛材料的制备自然界中普遍存在着多级孔道结构组织 , 比如植物的茎秆、动物的骨骼等 , 它们在维持生命、物质传输过程中发挥着至关重要的作用。在工业催化、分离、 吸附以及水处理过程中 , 多级孔道结构的材料也能减少大分子造成的孔道堵塞和 提高扩散效率 : 介孔或者微孔孔道作为反应物的反应空间 , 反应物在大孔体系以 很小的压力降就可快捷的接近活性位 , 同时使产物可及时脱离而适时中止反应。具有微孔分子筛晶化墙壁的介孔分子筛也可以满足工业催化对酸性、扩散、 热稳定性和水热稳定性的生产要求。 对于用软、 硬模板相结合的方法制备多级孔 道结构材料而言 , 选择成

2、本低廉的模板对这些材料的大量生产有重要的前瞻意义。本论文的特点在于选择商品化的聚氨酯海绵做大孔结构的骨架支体 , 商品化 的嵌段共聚物为软模板 , 低分子量的酚醛树脂以及正硅酸乙酯为前驱体 , 采用溶 剂挥发诱导自组装的方法制备了具有多级孔道结构的、 不同骨架组成的有序介孔 单片材料 ; 并以具有多级孔道结构的介孔碳质材料为硬模板 , 通过水蒸气辅助转 化法等合成了介孔沸石分子筛。论文可分为两大部分 , 第一部分以价格低廉的商 业化的聚氨酯海绵为骨架支体 , 三嵌段共聚物为介孔结构模板剂 , 通过溶剂挥发 诱导涂敷和自组装法大量制备了具有多级孔道结构的有序介孔氧化硅、高分子、 碳、高分子-氧化

3、硅和碳 -氧化硅复合等单片材料 ;第二部分,以第一部分中可大量 合成的具有多级孔道结构的有序介孔碳材料以及碳 - 氧化硅复合材料为硬模板 , 在水蒸气辅助下原位转化法等合成了具有介孔孔道的沸石分子筛。论文第二章 , 采用商品化的廉价聚氨酯海绵为大孔结构支体、非离子表面活 性剂三嵌段共聚物 P123 为介孔结构导向剂、以酸催化预水解的硅物种为硅源、 利用溶剂挥发诱导自组装的方法合成了具有多级孔道结构的介孔氧化硅单片材 料。通过调节聚氨酯海绵与溶胶填充的体积比 , 得到不同大孔结构的介孔氧化硅 单片材料。它们具有大孔结构（直径约为500卩m）、二维六方介孔结构（空间群为p6mm）, 均一的介孔直径

4、（8nm）,高的比表面积（680-700m2/g）。具有多级孔道结构的有序 介孔氧化硅单片材料能有效的吸附去除水溶性的微囊藻毒素（96%）。论文的第三章 , 以可热解的聚氨酯海绵单片为大孔结构硬模板、非离子表面 活性剂F127为软模板、低分子量的甲阶酚醛树脂为碳物种前驱体，采用溶剂挥发 诱导有机 -有机自组装的方法制备了两种不同的具有多级孔道结构的有序介孔高 分子及其衍生的介孔碳质状块体材料 HPCM-1和HPCM-2首先，甲阶酚醛树脂和 嵌段共聚物在乙醇中形成溶胶 ,涂敷在聚氨酯海绵的枝权网络上后 ,通过溶剂挥 发诱导自组装形成具有多级孔道结构的有序介孔高分子单片材料。在不同温度的惰性气氛中

5、焙烧碳化去除模板 , 得到不同碳化程度的具有多级 孔道结构的介孔碳质单片材料。虽然它们经历了骨架收缩 , 但保持了聚氨酯海绵 骨架支体的形貌和复制了模板的大孔宏观结构 ; 形成了以收缩的有序介观结构的 碳物种为外壳、聚氨酯海绵少量残留（V 3 wt%）的无定型的碳物种为芯材料，类似 于铅笔结构的枝杈；这些直径大约为53卩m的枝杈互相连接构成直径为100-450 卩m的大孔。简单调节碳物种前驱体与表面活性剂的投料比 , 分别形成了具有体心立方介 观结构（空间群为lm（?）m）和二维六方介观结构（空间群为p6mm的单片材料；它 们具有可调变的均一的介孔直径 （3.8-7.5nm） 、较高的比表面积

6、 （200-870m2/g） 以及大的孔体积 （0.17-0.58 cm3/g） 。论文的第四章 ,在成本低廉的聚氨酯海绵上利用溶剂挥发诱导涂敷和自组装法制备了具有多级孔道结构的有序介孔碳质氧化硅复合单片材料以聚氨酯海绵为大孔结构支体和组装场所、三嵌段共聚物 F127 为结构导向 剂、盐酸催化预水解的硅物种为硅源、水溶性的甲阶酚醛树脂为碳物种前驱体,采用溶剂挥发诱导涂敷和自组装法获得了具有多级孔道结构的有序介孔高分子-氧化硅复合单片材料。 在氮气中焙烧去除模板后 , 得到有序介孔高分子 - 氧化硅复 合单片材料 ; 在更高温度碳化后 , 得到具有多级孔道结构的有序介孔碳 - 氧化硅复 合单片材

7、料 ; 虽然它们都经历了不同程度的骨架收缩 ,但都保持了聚氨酯海绵骨 架支体的形貌并复制了大孔结构 ; 形成了以有序介观结构的碳 - 氧化硅复合材料 为外壳、聚氨酯海绵少量残留的无定型碳物种为芯材料 , 类似于电缆线结构一样 的枝杈；这些直径大约为50/卩m的枝杈三维连接形成直径为300-450卩m的大孔 结构。实验结果表明具有多级孔道结构的有序介孔高分子-氧化硅、碳-氧化硅复合单片材料都具有有序的二维六方介观结构 ； 它们具有可调变的均一的介孔直径 (4.2-9.0nm) 、高的比表面积 (230-610m2/g) 以及大的孔体积 (0.3-0.8 cm3/g)。 调节氧化硅前驱体(TEOS

8、)与甲阶酚醛树脂的投料比例，可合成不同高分子-氧化 硅、碳-氧化硅比例的具有多级孔道结构的有序介孔碳质 -氧化硅复合单片材料。这种“加强的混泥土”结构中“刚性组分”氧化硅含量越多 , 热处理过程中 骨架的收缩越小 , 对应的介孔孔径也越大 ； 反之亦然。论文的第五章 , 采用水蒸气 辅助原位转化的方法制备介孔和微孔复合的沸石分子筛材料。分别以论文第三和第四章中可大量合成的有序介孔碳材料和碳 -氧化硅复合 材料为硬模板、 以季铵碱为结构导向剂、 正硅酸乙酯为硅源、 水蒸气辅助转化的 方法制备沸石分子筛材料。 本章共设计了三条合成路线 :第一,以第三章中合成的 二维六方有序介孔碳材料为硬模板 , 纳米浇铸后在水蒸气的辅助下转化成沸石分 子筛 MZ-1。焙烧后得到了均匀的纳米颗粒，XRD表明它们是具有MFI拓扑结构的Silicate-1 分子筛,纳米颗粒的堆积形成了均一的介孔孔道 ;第二,以第四章中 合成的二维六方有序介孔碳 - 氧化硅复合材料为硬模板 , 再补充一定量的硅源 , 然 后在水蒸气辅助下转化成介孔分子筛MZ-2 MZ-2为纳米颗粒互相连接形成的聚集体, 说明复合硬模板墙壁中的