氨基功能化多孔氧化硅材料合成及其CO_2吸附性能研究

【摘要】：众所周知,由于人类排放至大气中的CO2数量不断增加且CO2与气候变化密切相关,因此CO2的排放引起了世人的高度关注。本文以氨基功能化SBA-15和以阴离子表面活性剂为模板剂合成氨基功能化多孔氧化硅(AFPS)为研究体系,主要采用优化实验条件(如pH值、陈化温度、阴离子类型等)方式,提高室温和常压下氨基功能化多孔氧化硅的CO2吸附量。同时,还利用(原位)红外、N2吸-脱附、元素分析、SEM、TG-DTA、TPD、XRD和TEM等技术对合成的多孔氧化硅进行了表征。本文的主要研究内容和结果如下：(1)氨基功能化SBA-15的直接合成及其CO2吸附性能。 通过直接法合成了氨基功能化的介孔氧化硅材料。实验结果表明,当合成体系中APTES(氨丙基三乙氧基硅烷)与(APTES+TEOS)的摩尔比小于0.20或APTMS(氨丙基三甲氧基硅烷)与(APTMS+TEOS)的摩尔比小于0.10时,所合成的材料均具有SBA-15介孔结构。由于氨基对SBA-15结构的形成产生副作用,当上述两比值分别大于0.20和0.10时,介孔结构将会坍塌。但是,引入F-后,即使上述两比值达到0.25和0.30时,所合成的材料仍具有有序的介孔结构,且材料的孔容和比表面积较高。CO2吸附实验表明,随着反应体系中氨基功能化物质(APTES或APTMS)含量增加,所合成的材料吸附CO2的能力提高；在F-辅助下合成的材料吸附CO2的能力远远高于无F-辅助下合成材料的。(2)表面羟基高密度化SBA-15的合成、氨基功能化及其CO2吸附性能。 在HCl溶液中引入HAc后,由于Ac-可降低硅羟基的水解与聚合反应,因此可合成表面羟基高密度化的SBA-15材料。通过填充TEPA(tetraethylenepentamine)可获得氨基功能化SBA-15(AF-SBA-15)材料。实验表明,当TEPA与SBA-15的质量比(x)小于0.6时,所获得的AF-SBA-15均具有与纯SBA-15一样的结构。CO2吸附实验说明,当x为0.1时,随着吸附温度升高,AF-SBA-15对CO2的吸附能力降低；当x为0.6时,随着吸附温度升高,AF-SBA-15对CO2的吸附能力增加。 (3)萃取方式、陈化温度、pH值和反应物组成等对以阴离子表面活性剂为模板剂合成氨基功能化多孔氧化硅吸附CO2的影响。 分别以十二烷基肌氨酸钠(Sar-Na)、APTMS和TEOS为结构导向剂(SDA)、共结构导向剂(CSDA)和硅源合成了氨基功能化介孔氧化硅预产物。分别用乙醇-乙醇胺和盐酸-乙睛混合液萃取预产物中的模板剂。研究表明,乙醇-乙醇胺的萃取效果好于盐酸-乙晴的,且萃取后获得的材料对CO2的吸附能力优于由盐酸-乙睛萃取后获得材料的。 从元素分析和TEM表征结果可知,陈化温度和pH值对介孔材料内氨基含量影响较大。当在较低的陈化温度和相对较低的pH值下,所合成材料对CO2的吸附量较高。 CO2吸附实验表明,在以阴离子表面活性剂为模板剂合成介孔氧化硅中,APTMS与TEOS的比值对合成材料的C02吸附性能起重要作用。当加入0.6 ml APTMS和3.0 mlTEOS至含39 ml HCl (0.1 mol/1),70 ml H2O和1.76 g Sar-Na的混合溶液中时,所合成材料的CO2吸附能力优于其它条件下(如加入0.3 ml的APTMS和3.0 ml的TEOS至含13 mlHCl (0.1 mol/1),70ml H2O和0.59 g的Sar-Na昆合溶液中)合成材料的。 (4)以月桂酸为模板剂合成氨基功能化多孔氧化硅及其CO2吸附性能。 分别使用月桂酸为SDA、APTMS为CSDA、TEOS为硅源,采用溶胶-凝胶法,通过乙醇胺-乙醇体系萃取模板剂后,合成了氨基功能化多孔氧化硅。CO2吸附实验表明,随着反应体系中APTMS含量提高,所合成材料对CO2的吸附能力不断提高；但当APTMS与月桂酸体积比大于2.2：3.0时,随着APTMS含量提高,所合成材料对CO2的吸附量降低。此外,通过调查甲醇、乙醇、丙醇和正丁醇等对吸附剂的CO2吸附性能影响时表明,使用乙醇为共溶剂合成的材料对CO2的吸附效果最好。