弱酸性体系中非离子表面活性剂导向下硅基介孔材料的合成研究

【摘要】有序介孔材料因具有规则排列的孔道、可调的孔径、较大的比表面积且易于剪裁等特点,在催化、吸附和分离、新型材料组装、生物和医药等方面具有广阔的应用前景,其诞生以来就成为国际上的研究热点。目前,介孔在合成方面虽然取得了长足的进展和丰硕的成果。但有序介孔材料的生产成本较高,如何寻找廉价、低毒等降低生产成本的合成途径；如何拓展有序介孔材料的合成范围,使有序介孔材料的生产实现“绿色化”(如,非常有应用前景的SBA-16合成需要强酸性介质)是目前国内外科学家们面临的一个难题。在本文第一部分,我们采用两步法分别以非离子三嵌段聚合物F108、F127和P104作模板剂在弱酸性条件下合成了一系列有序硅基介孔材料。第二部分中,以P104和F108为模板剂,考查了合成条件对介孔材料形貌的影响。第三部分中,用廉价的国产P104合成了六方片状形貌的SBA-15,并尝试在非水体系中以工业级的PEG6000DS为模板剂合成了一种新型层状硅基介孔材料。这些研究对解决介孔材料的“绿色化”问题和成本问题具有一定的理论和现实意义。具体研究内容如下：在第二章和第三章中,采用新型两步法,首次在高于硅源等电离点(pH=2.0)且体系中没有无机盐加入条件下,使用具有较大亲水/疏水体积比的嵌段共聚物F108和F127作模板剂(模板剂浓度低至1.0wt.%),合成了两种孔道有序的立方硅基介孔材料,该方法在降低介孔材料成本方面有明显的优势。当以F108为模板剂,在pH=2.15～4.50,制备了Im3m结构的SBA-16硅基介孔材料。测试结果显示材料的孔径为3.37～4.24nm,孔壁厚度为8.84～10.2nm,属于典型的小孔厚壁介孔硅材料。当F127为模板剂时,在pH=2.20～4.10,得到了Fm3m结构的硅基介孔材料。在合成中,当pH=2.20时,所得的Fm3m结构的硅基介孔材料呈现大小比较均匀的球形形貌,直径约为3μm。第四章中,采用两步法以P104为模板剂合成介孔材料,研究了介孔材料结构随体系pH值的变化。随着pH的升高,发现体系中无机物种和模板剂所组成的介观相发生了转变,由p6mm的SBA-15(pH=1.51-2.67)结构转变为3Dworm-like孔道的MSU(pH=3.93-4.56)结构。这一结果表明在单一模板剂存在的体系中,通过调节有机模板剂和无机硅源之间的界面作用力可以得到不同结构的硅基介孔材料,同时也成功也开辟了一条在低模板剂浓度(1.0wt.%)下制备有序MSU类介孔材料的方法。在第五章中,考察了合成条件对介孔材料孔结构和形貌的影响。通过一步法以P104作模板剂在强酸性环境中合成的介孔二氧化硅材料,当固定其它合成条件时,样品的形貌受pH值、温度、无机盐浓度和无机酸种类影响较大。通过调控这些合成参数,可得到柱状、六边形片状、球状的SBA-15介孔二氧化硅材料。在不同的体系中,通过合理的调控合成条件,只要得到相似的有机/无机界面作用力,就可以得到孔道结构和形貌都相似的介孔材料。此外,以F108为结构导向剂在较弱的酸性(0.5MHCl)条件下,制备了形貌规整,大小约为4-6μm的十二面体SBA-16介孔材料。在第六章中,采用廉价的国产PlurinicP104为模板剂,通过调节体系中K2804的浓度,制备出具有规则的六边形片状形貌的SBA-15硅基介孔材料(超微介孔硅片),大大降低了介孔材料的合成成本。在第七章中,我们首次采用工业级的PEG6000DS非离子表面活性剂为模板剂,通过S0I0合成路线,在非水体系(乙醇)中制备了具有一定热稳定性的新型层状硅基介孔材料,这一成功不但扩大了介孔材料的合成范围,而且为制备具有有序层状结构的介孔薄膜材料提供了一条方便、价廉的途径。
【作者】金政伟；
【导师】汪晓东；
【作者基本信息】北京化工大学，材料学，2007，博士
【关键词】硅基介孔材料；两步法；弱酸环境；非离子表面活性剂；合成；表征；

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