多孔材料的合成化学.ppt

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1、多孔材料多孔材料1.多孔材料与它的分类多孔材料是一种含有气孔的固体材料，一般来说，气孔在多孔材料体中所占的体积分数在20%到95%之间。多孔材料可以是晶体的或是无定形的，它们被广泛地应用在吸附剂，非均相催化剂，各类载体和离子交换剂等领域。其孔洞多，空旷结构和巨大的表面积加强了它们的催化和吸附等能力。多孔材料的分类按结构分类可分为无定形材料、晶体材料和次晶材料三种。■无定形材料有硅胶、氧化铝胶、交联粘土、层柱状结构材料、活性炭、分子筛等；■晶体材料包含沸石、氧化硅大孔材料、类沸石材料等；■次晶材料是介于无定形材料与晶体材料之间，两者共存的。多孔材料的分类超微孔材料(

2、孔径<0.7nm)微孔材料(0.7nm<孔径<2nm)介孔材料(2nm<孔径<50nm)大孔材料(孔径>50nm)宏孔（大于1µm）按孔径大小分多孔材料的分类按制备工艺及成品的形貌分为泡沫多孔材料、蜂窝多孔材料和网眼多孔材料。泡沫多孔材料多孔材料的分类蜂窝多孔材料网眼多孔材料2.多孔材料的特点微孔材料(沸石与分子筛)的特点介孔材料(中孔分子筛)的特点大孔材料的特点沸石与分子筛的特点沸石：严格定义是一类结晶的硅铝酸盐微孔结晶体分子筛：具有选择性吸附能力的材料沸石与分子筛的骨架结构沸石具有三维空旷骨架结构，骨架是由硅氧四面体[SiO4]4-和铝氧四面体[AlO4]5-

3、通过共用氧原子连接而成，它们被统称为TO4四面体（基本结构单元）。所有TO4四面体通过共享氧原子连接成多元环和笼，被称之为次级结构单元（SBU）。这些次级结构单元组成沸石的三维骨架结构，骨架中由环组成的孔道是沸石的最主要结构特征。在骨架中硅氧四面体是中性的，而铝氧四面体则带有负电荷，骨架的负电荷由阳离子来平衡。骨架中空部分（就是分子筛的孔道和笼）可由阳离子、水或其它客体分子占据，这些阳离子和客体分子是可以移动的，阳离子可以被其它阳离于所交换。分子筛骨架的硅原子与铝原于的摩尔比例常常被简称为硅铝比（Si／Al，有时也用SiO2／Al2O3表示)。沸石与分子筛的骨架结

4、构这些沸石分子筛一般具有以下特点：在分子筛骨架结构中形成许多有规则的孔道和空腔；在孔道和空腔中的阳离子是可以交换的，经阳离子交换后，可以使分子筛的催化及吸附性能产生较大的变化。介孔材料(中孔分子筛)的特点介孔材料的主要特征：具有规则的孔道结构；孔径分布窄，且在1.3～30nm可以调节；经过优化合成条件或后处理，可具有很好的热稳定性和一定的水热稳定性；颗粒具有规则外形，且可在微米尺寸保持高度的孔道有序性。大孔材料的特点一般依据其孔隙的有序程度，将大孔材料分为胶凝材料和有序大孔材料。胶凝材料的特点是具有极大的比表面积，气孔率高，孔径约为100nm，属于非晶材料；有序大

5、孔材料则具有三维规则结构，孔隙率高，孔径大，分布均匀，排列周期性较强。多孔材料特殊性质骨架的组成的可调性；非常高的表面积和吸附容量；吸附性质能被控制；酸性或其它活性中心的强度和浓度能被调整孔道规则且孔径大小正好在多数分子的尺寸范围之内；孔腔内可以有较强的电场存在；3常用的多孔无机材料制备方法①沉淀法，固体颗粒从溶液中沉淀出来生成有孔材料；②水热或溶剂热合成法，如沸石的制备；③热分解方法，通过加热除去可挥发组分生成多孔材料；④有选择性的溶解掉部分组分；⑤在制造形体（薄膜、片、球块等）过程中生成多孔（二次孔）。⑥溶胶-凝胶法⑦化学腐蚀法⑧多层自组装——双重模板,有控制

6、的破坏；⑨聚合物作模板剂；⑩乳浊液作模板剂；介孔和大孔材料的孔径控制：主要合成方法现在有许多合成方法可被用来合成介孔材料和大孔材料，如按产物的孔直径分类，主要有以下几种：2～５nm，使用不同链长的表面活性剂作模板剂；2～7nm，高温合成；4～7nm，二次合成﹙合成后水热处理﹚；4～10nm，使用带电的表面活性剂和中性有机物；4～11nm，二次合成﹙水-胺合成后处理﹚；多层自组装——有控制的破坏；2～30nm，聚合物作模板剂；＞50nm，乳浊液作模板剂；＞150nm，胶体颗粒﹙模板剂﹚晶化。＞10~1000nm,多层自组装——双重模板其它非模板方法合成多孔材料—多孔

7、氧化铝、多孔碳材料、气凝胶、层柱材料4多孔材料的合成机理分子筛的转化机理介孔材料的合成机理多孔材料的合成机理固相转变机理液相转变机理双相转变机理液相中硅酸根与铝酸根离子的聚合反应阳离子的模板效应4.1分子筛的转化机理固相转变机理固相转变机理也称之为固相机理，是指沸石晶化过程总是伴随着无定形凝胶固相的形成，无定形凝胶的结构重排成为沸石，液相不参与晶化过程。简单的说，在晶化过程中既没有凝胶固相的溶解，也没有液相直接参与沸石的成核与晶体生长。在凝胶固相中，由于硅铝酸盐骨架缩聚、重排而导致沸石的成核和晶体的生长。固相转化机理示意图液相转变机理液相机理认为沸石晶体是从溶液中

8、生长的，初