新式碳基介孔材料之控制合成及应用

《新式碳基介孔材料之控制合成及应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、新式碳基介孔材料之控制合成及应用第一章前言1.1介孔材料简述早在1971年有序介孔材料就被合成出来，1990年日本科学家Kuroda等，也报道了介孔材料的合成。但是直到1992年Mobi公司报道了利用表面活性剂为模板合成M41S系列（MCM-41、MCM-48、MCM-50)介孔材料；气介孔材料才引起人们的注意并被认为是介孔材料合成的真正开始。介孔材料的孔道可以为无序（无定形）或有序的。普通的Si02气凝胶及早期合成的介孔SiCh，它们的孔道形状多不规则、孔道排列呈无序状态，并且孔径大小分布较宽，为无序介孔材料；而有序介孔材料则具有均一的孔径及

2、排列有序的孔道。利用XRD可以很好的鉴别无序或有序介孔材料，无序介孔材料没有衍射峰，而有序介孔材料则由于孔道的有序性可以产生一套衍射峰。如M41S系列的介孔材料均为有序介孔材料，又因它们具有不同的有序介观结构，所以表现出不同的衍射峰。图1-1为M41S系列介孔材料的结构简图及其所对应的XRD谱图。其他的表征方法如SAXS、TEM、N2吸脱附等温线及近年来随着科技发展进步所出现的HRTEM、HRSEM的使用使人们对介孔材料的结构有了更全面、深入的认识和理解。介孔材料的发展虽然仅有二十多年，但是由于其独特的结构吸引了众多的科学家并取得了丰硕的成果。

3、从最初的氧化娃基介孔材料拓展到金属氧化物、磷酸盐、硫化物、碳、有机聚合物等的介孔材料；从单一组分到多组分复合物的介孔材料。此外，在介观结构及形貌的探索研究也丰富了介孔材料的内容。介孔材料以其独特的结构在诸多领域如化工催化、生物医药、环境工程等显示出广阔的应用前景。1.2介孔材料的合成及机理介孔材料是一类孔径在2~50nm之间的新型纳米材料。介孔材料的合成主要在于如何形成2?50nm的介孔，即造孔。一般来说，介孔的形成可以通过模板来实现，即向具有介观纳米尺度模板的空间中填充或灌注所盖合成材料的前驱体，经过处理并除去模板，模板去除后留下的空间便成为

4、介孔。因此，模板的结构和性质对介孔材料的合成起着非常重要的作用。大体来说，模板主要分为两类8_ia:类是含有介孔的固体材料，如介孔氧化挂、介孔碳等具有刚性骨架结构的模板，称为硬模板（hardtemplate);另一类是具有柔性骨架的表面活性剂模板，称为软模板（softtemplate)。进而，按照模板的不同，介孔材料的合成可以分为硬模板法和软模板法。在下文中将对以这两种方法来合成介孔材料及所涉及的形成机理进行阐述。1.2.1硬模板法硬模板法合成介孔材料是利用前驱体在硬模板的介孔孔道中组装、生长来实现的，是一种简便、有效的方法。硬模板的介孔孔道具

5、有限制生长的作用，其介孔孔墙则为所合成的新介孔材料提供介孔。合成过程主要包括：1)向硬模板的介孔孔道中填充前驱体，2)经过反应形成硬模板和前驱体的复合物，3)除去硬模板得到反相复制模板的介孔材料，如图1-2所示。由硬模板法得到的介孔材料，其介观结构和孔道尺寸主耍决定于所使用的硬模板的结构。因此，可以通过选择不同的硬模板来精确地控制和合成反相复制模板的介孔材料。利用硬模板法合成介孔材料通常需要考虑以下几个因素：1)硬模板的表面性质如亲疏水性，用來制备材料的前驱体应能够较好的润湿孔道管壁，从而达到很好的填充；2)硬模板的稳定性，在前驱体组装生长过程

6、中，模板应保持稳定以便较好的实现介观结构的反相复制；3)硬模板的化学性质，硬模板应能够选择性地除去以便得到幵放孔道的介孔材料I2。理论上，只要建立了合适的化学方法，儿乎任何介孔材料都能够通过硬模板法来制备。1.2.2软模板法介孔材料的合成也可以通过软模板法来实现，即通过表面活性剂和其他物种之间的比共价键弱的和方向性较小的键或作用力，如离子键、氣键以及范德华力等的协同作用，将表面活性剂和其他物种自发的组装成具有有序介观结构的复合物，除去表面活性剂后便得到介孔材料。软模板法主要是利用了软模板即表面活性剂自组装形成纳米级有序结构的特殊组装行为来实现造

7、孔的，因此，表面活性剂的组装起到了非常重要的作用。2.公膝有贿孔碳的合戯其电化学颜2.1引言有序介孔碳作为一类新型的非桂基介孔材料，具有均一的孔径分布、大的比表面积和孔容、有序的孔道结构等独特的结构特点，同时还具有良好的导电性、机械稳定性和热稳定性，并且对绝大多数化学化学反应显出惰性。这些特点使得这类碳材料在催化、吸附、分离、储氧、电化学等方面表现出巨大的应用前景，成为人们研究的热点。有序介孔碳的实际应用仍然处于起步阶段，其中一个制约因素是介孔碳还没有实现规模化的生产，仍处于实验室合成阶段，这很难满足介孔碳在诸多领域应用日益增加的需求量。所以有

8、序介孔碳规模化生产的实现将极大的推动该材料实际应用的进程，具有十分重要的理论和现实意义。一般来说，有序介孔碳的合成方法有两种。一是硬模板法Ryoo研究