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《南开大学》 2007年
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介孔二氧化硅的温和条件合成

肖强  
【摘要】: 生物矿化是生物体在特定部位和一定物理化学条件下,依靠有机物质的控制或影响,将溶液中的离子转变成为固相矿物的过程。由生物矿化所启发的仿生合成往往在温和条件下利用有机质来引导和控制无机材料的合成,在有机-无机界面通过分子识别来控制无机物的生长,以达到调控无机材料结构和形貌的目的。介孔材料M41S的出现为仿生合成提高了一个很好的研究平台,但是对比合成条件我们发现,介孔材料一般是在酸性或者碱性环境中,或者通过水热的方式来合成,这与硅藻等单细胞生物在中性或近中性微环境中的二氧化硅沉积相去甚远,同时这种酸碱或水热的合成条件限制了介孔材料的一些应用。因此在室温、(近)中性的温和条件下合成介孔材料不但可以拓宽其合成范围和应用领域(如原位包覆生物大分子等),而且对生物矿化具有重要的启示意义。 本论文以盐类为矿化剂在室温、(近)中性的温和条件下合成了具有特定形貌的介孔二氧化硅,利用X-射线衍射(XRD)、氮气吸附、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和红外光谱(FTIR)等表征技术,研究了以乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)为矿化剂、以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板合成介孔二氧化硅空心管,在低温下以NaNO3辅助合成高产率介孔二氧化硅纤维,以及以嵌段共聚物为模板合成片状SBA-15等。主要内容有以下几部分: 1)利用Na2EDTA作为矿化剂在室温、近中性条件下合成了厚孔壁(约3 nm)的蠕虫介孔分子筛(CTE)。N2吸附测试表明介孔分子筛孔径为2.8 nm,比表面积为706 m2/g。29Si NMR研究表明合成的分子筛具有高的Q4/Q3比。温度对介孔二氧化硅的结构有很大的影响,温度在2-15℃范围内都能生成介孔结构,高于50℃时,介孔的有序度有很大程度的下降。合成的介孔分子筛中的模板剂可以通过乙醇萃取的方式除去。运用XRD、N2吸附、SEM和TEM详细考察了体系配比、温度对介孔二氧化硅结构和形貌的影响,发现在合成配比为0.05~0.2CTAB /0.1~2TEOS/0.1~0.5Na2EDTA/100~500H2O范围内都能得到介孔二氧化硅,CTAB用量越大,介孔材料的d值相应增大。温度对介孔二氧化硅的形貌有很大的影响,随着温度的升高,二氧化硅的形貌由空管变成小颗粒聚集体。对比了焙烧和乙醇萃取两种模板剂除去方式对孔道结构的影响。提出了该条件下介孔材料的生成机理。 2)以SEM和TEM详细考察了合成介孔二氧化硅中空管的形貌和孔道结构。提出了介孔二氧化硅管的形成机理。Na2EDTA在合成中有三方面的作用:1)作为TEOS的水解催化剂,2)与阳离子表面活性剂CTAB作用形成EDTA-CTAB胶束共组装体,从而作为介孔二氧化硅的模板,3)原位析出的Na2EDTA晶体作为硬模板导致了管状形貌的生成。合成体系中加入乙醇到有利于管状形貌的形成,提高了介孔二氧化硅空管的产率,同时加入乙醇拓宽了介孔二氧化硅管合成的温度范围。在近中性pH下,考察了多种有机共溶剂体系中合成的介孔二氧化硅形貌与添加的有机共溶剂介电常数的关系。 3)在CTE的合成体系中加入ZnSO4,发现可以明显提高介孔结构的规整度,结构由蠕虫孔变为规则的二维六方介孔结构。ZnSO4用量对合成产品的结构有很大影响,随着Na2EDTA:ZnSO4从0.5:0.5变化到0.5:0.1,样品的d值、孔径及壁厚逐渐递增。而不加入Na2EDTA时,单独加入ZnSO4不能得到介孔材料。Na2EDTA:ZnSO4从0.5:0.5下降到0.1:0.1时,其孔径和d值均缩小。另外采用EDTANaFe代替Na2EDTA合成了Fe含量6.9wt%的介孔Fe-SiO2,XRD和N2吸附的表征表明得到的杂原子介孔结构d值为3.7 nm,孔径在超微孔范围,比表面积758 m2/g。Electron Paramagnetic Resonance (EPR)表征证明部分Fe(III)进入介孔骨架中。采用此方法我们可以将其它金属引入介孔二氧化硅骨架中。 4)在不添加任何酸碱的中性条件下,利用NaNO3对TEOS水解的催化作用,合成了介孔二氧化硅。NO3-在合成过程中起到双重作用,一是作为TEOS水解催化剂,二是与CTA+结合形成长的柱状胶束。在10℃的低温下,合成了产率近100%的介孔二氧化硅纤维,纤维具有六方截面,直径为200-400 nm。温度对合成样品的结构和形貌影响很大,温度过低没有固体产品生成,温度升高介孔有序度下降,同时形貌变为小颗粒聚集体。采用其它金属硝酸盐如Al(NO3)3合成,得到介孔材料的结构有序度和比表面积都有很大程度的提高。 5)在pH=5.2的近中性体系中,以三嵌段共聚物P123为模板剂,在Na2EDTA盐的存在下在18℃合成了高产率具有片状形貌和规则六方排列结构的SBA-15介孔分子筛。样品焙烧和经ZnSO4溶液洗涤EDTA后,比表面积为323 m2/g,孔径为5.2 nm。室温近中性下添加盐类的合成方法,拓宽了SBA-15介孔材料的合成范围,同时对生物矿化有重要的启示意义。
【学位授予单位】:南开大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O613.72

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【引证文献】
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