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阶层多孔二氧化硅块体材料的制备及其应用研究

于欢  
【摘要】:阶层多孔二氧化硅(Si02)块体是一种大孔、介孔或微孔梯度分布的多孔材料,具有三维连贯大孔、精细介孔结构等孔道特征,因而拥有高比表面积、高吸附、高气孔率等特性,在分离、吸附、过滤、催化等重要领域具有广阔的应用前景。溶胶-凝胶伴随相分离法是制备阶层多孔Si02块体材料的有效途径,但目前制备流程需要高温后处理,且介孔结构无序,在修饰改性方面也存在工序复杂及使用有毒改性溶剂、还原剂等问题。本论文在综合论述了溶胶-凝胶伴随相分离制备阶层多孔块体材料的基础上,研究了大孔SiO2块体及阶层多孔Si02块体制备、多孔块体的环保表面改性及其银负载、CO2捕捉等内容,分析了溶胶-凝胶转化与相分离协同控制形成共连续大孔结构、棒状胶束模板形成有序介孔结构、氨基表面改性多孔骨架、乙二醇还原银离子等机理,为阶层多孔Si02块体材料在高效液相色谱分离、催化反应、CO2捕捉等领域应用奠定基础。主要研究内容及结果如下:(1)以正硅酸甲酯(TMOS)为前驱体、0.01 mol·L-1盐酸(HCL)为催化剂、聚环氧乙烷(PEO)为相分离剂、环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂,采用溶胶-凝胶伴随相分离法制备具有三维连贯大孔,且比表面积418m2.g-1多孔Si02块体;在此基础上,引入造孔剂SDS制备阶层多孔Si02块体材料,大孔孔径为1-3μm,介孔孔径为4-5 nm,比表面积可达650m2·g-1。(2)以TMOS为前驱体、0.01 mol·L-1盐酸为催化剂、环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂,以三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(Pluronic P123)及三甲苯(TMB)为模板剂及膨胀剂,一步法直接制备兼具连续大孔骨架及有序介孔结构的阶层多孔Si02块体,大孔孔径为1-2μm,介孔孔径为10-11 nm,比表面积高达848m2·g-1,8000C热处理后仍能保持该阶层多孔结构稳定。(3)对制备的阶层多孔Si02进行相对无毒改性及银负载。3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)作为改性剂,首次采用乙醇为改性溶剂,对其进行改性;首次采用乙二醇为还原剂,利用其还原性对改性后Si02进行银纳米颗粒负载,银负载率可达15.44wt.%。探究其改性及还原机理、银负载量影响因素,并提出通过适当温度热处理方法来提高银负载阶层多孔Si02块体的比表面积。(4)对制备的阶层多孔Si02进行氨基改性,考察氨基改性大孔及阶层多孔Si02块体材料的CO2吸附性能。测试表明:多孔材料孔结构、改性方法、改性剂相对用量对CO2吸附性能有较大的影响;通过物理浸渍法,采用聚乙烯亚胺(PEI)对阶层多孔二氧化硅(H-SiO2)进行氨基改性,所得材料吸附量可达1.37mmol/g;通过化学接枝法,采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对大孔(T-SiO2)及阶层多孔二氧化硅(H-SiO2)进行氨基改性,所得材料吸附量达1.45mmol/g、 1.30mmol/g。氨基改性阶层多孔Si02材料具有较强的CO2吸附性能,在长效吸附CO2领域具有应用前景。


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