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SBA15

SBA15

SBA15是属于介孔分子筛的一种,它的合成是近年来兴起的又一项重要化工技术,其在催化、分离、生物及纳米材料等领域有广泛的应用前景,而其水热稳定性高等优势为催化、吸附分离以及高等无机材料等学科开拓了新的研究领域。可以预见的是,随着对于SBA15的研究不断深入,这项成果必然在化工领域有着新的突破。

介孔分子筛SBA-15典型的合成过程是: 在35-40℃的条件下,将三嵌段表面活性剂P123(Aldrich,EO20PO70EO20,Ma=5800)溶于适量去离子水,向其中加入正硅酸乙酯(TEOS)、盐酸(HCl),持续剧烈地搅拌24h以上,装入聚四氟乙烯瓶内晶化24h以上,过滤、洗涤并干燥,最后在550℃煅烧5h以上除去模板剂或者用溶剂回流洗去模板剂,然后过滤、洗涤并干燥,得到的白色粉末即为SBA-15。实验所用各原料的摩尔比约为1TEOS:0.017P123:5.88HCl:136H2O。

SBA-15具有二维六方通孔结构,具有P3mm空间群。在XRD衍射图谱中,主峰在约1°附近,为(10)晶面峰。次强峰依次为(11)峰以及(20)峰。其他峰较弱,不易观察到。此外,SBA-15骨架上的二氧化硅一般为无定形态,在广角XRD衍射中观察不到明显衍射峰。

介孔分子筛SBA-15的合成符合中性模板机理(S0I) :用中性表面活性剂P123(S0),和中性无机硅物种(I0)通过氢键键合,不存在强的静电作用,并随硅烷醇的进一步水解、缩合导致短程六边形胶粒的堆积和骨架的形成。

SBA-15的合成条件温和,表面活性剂易除去,且不易引起结构坍塌;中性表面活性剂与中性无机前驱体间的排斥力比离子表面活性剂与带电荷的无机前驱体间的排斥力小得多,能够形成较厚的孔壁,进而提高了分子筛骨架结构的热及水热稳定性。

影响介孔分子筛SBA-15结构的因素很多,主要有以下几个方面:Templin M,franck A等研究表明,有机共聚物作模板剂可以通过改变其本身的化学结构、链长、官能团,达到调节产物尺寸、机械性能和热性能的目的。

赵东元等用一种新的方法-共溶剂法来控制介孔材料颗粒外貌和形状。如以N,N-二甲基甲酰胺(DMF) 为共溶剂可得到高度有序、大孔径、"面包圈"状的介孔分子筛SBA-15。通过控制所加共溶剂的量、极性大小等也可以改变SBA-15的形貌,如以四氢呋喃为共溶剂可以合成"鸡蛋肠"状的SBA-15。

通过选择硅源,添加助剂来控制SBA-15形貌。如选择用正硅酸已脂为硅源得到的是"麦穗状"SBA-15;选择用正硅酸甲脂为硅源得到的是"腰果状"SBA-15;加入电解质,如K2SO4,将得到圆片状SBA-15。

Kohji Miyazawa和Shinji Inagaki通过改变合成的温度和硅源与模板剂的比率来控制SBA-15孔容和孔率,他们指出温度高于100℃时不能合成介孔分子筛SBA-15, 增大硅源与模板剂的比是增加孔容的有效方法。Y Bennadja,P Beaunier等人也观察到无机前驱体和有机前驱体之间关系非常紧密,对SBA-15合成有很大的影响。

Ye Wang,Masato Noguchi等合成的SBA-15孔径在3.6-12nm之间可调,他们是加入了三甲基苯作为扩容剂及利用后合成热处理的办法增大孔径。

介孔分子筛SBA-15在分离、催化及纳米组装等方面具有很大的应用价值,可是由于存在化学反应活性不高等内在的缺点,大大限制了它的实际应用范围。为实现介孔分子筛SBA-15的潜在应用价值,依靠化学改性来提高它的水热稳定性和化学反应活性成为现在面临的主要研究课题。

化学改性包括对材料骨架的修饰以及对孔道表面的功能化。由介孔材料的表面化学性质研究可知,介孔氧化硅材料表面的硅醇键具有一定的化学反应活性,这是表面化学改性的基础。通过对SBA-15表面有意识地进行各种不同的修饰,来满足现实应用中的不同要求。

袁兴东等利用含磺酸基的有机基团Si-(CH2)3-SO3H中的硅与SBA-15骨架上的氧通过Si-O键结合,直接形成稳定的有机/无机组成,在SBA-15一SO3H表面含有质子酸中心-SO3H具有较大的比表面积、 孔容和孔径,孔大小是单一的,孔分布是高度有序的.催化油酸甲酯的酪化反应结果表明,直接法合成的催化剂既具有较高的稳定性,又具有简便、快捷和高效的优点。

朱金华,沈伟等采用钛酸丁酯和已酰丙酮作用后的产物作为钛的前驱体,水热一步法合成Ti-SBA-15, 用钛原子成功取代硅原子而不改变原SBA-15高度有序的二维六角结构。 一步法合成Ti-SBA-15分散度较好,添加量高,对催化氧化环乙烯有较高的催化活性

聂聪, 孔令东等采用后铝化的方法合成出A1-SBA-15,将铝原子引入到SBA-15的骨架当中,在800℃水蒸气中处理8h,比表面和孔容的减小要比Si-SBA-15小很多; 在pH=2的酸溶液和PH=11的碱溶液中处理后,比表面、孔容、孔径、壁厚变化很小甚至几乎没有变化, 进一步说明了A1-SBA-15有较高的热及水热稳定性和酸碱溶液稳定性。

李聪明等用负载法对SBA-15进行了磷酸改性,合成出了P-SBA-15。用该催化剂催化叔丁醇与苯酚烷基化反应,表明改性的SBA-15是一种活性较高且稳定性好的苯酚烷基催化剂。

吴宝萍等采用直接和间接的方法将硼原子嵌入介孔分子筛SBA-15骨架中,并用于催化柠檬酸与正丁醇的酯化反应,结果表明制备出的催化剂孔径大、水热稳定性好、催化活性高、易于产品分离且环境友好。

迄今为止,精细化工、药物合成等方面主要使用微孔沸石或氧化物为载体的碱催化剂,随着原料油中重质油份的增多,石油炼制和石油化工迫切需要具有较大孔径的催化剂,研制固体碱新材料是发展环境友好碱催化新工艺的关键。魏一伦, 曹毅等分别采用浸渍、浸渍-微波微波辐射等方法将醋酸镁高分散在SBA-15上面成为MgO改性介孔固体碱材料。结果显示:使用不同负载方法以及含铝SBA-15为载体, 均能使MgO均匀分散。实验表明负载的MgO在载体上形成了多层重叠结构,产生较多的中强碱位,而在介孔分子筛中引入A1原子则有利于碱位的形成。

我们利用酸性和酸量调节合成的Si-SBA-15在水热稳定性方面有了较大的提 高,从沸水中考察100小时后的XRD图来看,仍然具备SBA-15典型的特征峰和规整的孔道结构。

介孔分子筛SBA-15比表面大,均一的孔道直径分布,孔径可调变,壁厚且水热稳定性很高,所以SBA-15在催化、分离、生物及纳米材料等领域有广泛的应用前景。

SBA-15大的孔径有利于反应物在孔道内的运输,有利于反应的进一步进行,随着反应物引入量的提高,具有一维结构的各种材料的纳米线相继在孔道中合成。Yang等在SBA-15一维有序的管道内高温分解AgNO3,制得直径为5-6nm的Ag纳米线。采用类似方法,Stucky利用SBA-15合成了Pt,Ag和Au的纳米线

固定和分离蛋白质的传统方法是溶胶-凝胶法,它主要是利用溶胶-凝胶的分子筛性质,由于这种方法所得的材料的孔径不均一,造成对蛋白质的分离效果不佳。而介孔材料在孔径分布上有其独特的优越性,因此将在蛋白质分离上有其潜在的应用价值。 Stucky等首先利用经过氨基化的不同孔径的介孔分子筛SBA-15(孔径为5.9nm) 及MCF(孔径为16nm),通过调节溶液的离子强度,达到对不同大小的蛋白质的分离。另外,在柱层析和高效液相色谱分析中很重要的一个因素是填柱材料。由于介孔分子筛材料孔径可调,表面可官能团化为疏水或亲水环境,且比较容易制备为较理想的球形材料,因此可以作为较理想的色谱填柱材料。赵东元等利用C18修饰过的介孔SBA-15材料作为色谱填柱材料, 分别实现了对不同大小的生物分子(包括多肽和蛋白质)的色谱分离。另外,介孔分子筛SBA-15可以结合酶底物化学、抗体注FL原化学等,通过测定电流或电位,构成不同的生物传感器,以及在生物芯片、药物的包埋和控释等方面有重要的应用前景。

传统的沸石类分子筛由于其孔径太小难以满足一些反应的需要,因此迫切需要具有较大孔径的分子筛催化材料。这就要求采用介孔分子筛来作为新的催化剂材料或催化剂载体,利用其较大的孔径增加扩散速度。因此,研究和开发介孔分子筛材料已成为当代分子筛和催化领域的研究热点。通过元素取代等方法对介孔材料进行表面改性,不仅可以提高介孔材料的水热稳定性,还可以通过改变表面修饰的组分来设计和改造介孔材料,合成新型的催化剂材料。张雪峥,乐英红,高滋将-Fe2O3负载SBA-15作为催化剂,研究了负载量、预还原温度和反应温度对乙酸选择加氢乙醛反应的活性和选择性的影响,结果表明负载催化剂上乙醛的产率要比纯-Fe2O3催化剂高。

郑欣梅,齐彦兴,张小明,索继栓将手性Salen Mn(III) 配体固载到SBA-15上来催化苯乙烯的不对称环氧化反应,结果表明SBA-15为载体的催化剂可以得到与均相催化剂同样甚至更好的催化效果。在反应过程中,没有出现催化剂被氧化剂破坏的现象, 它比以MCM-41为载体的催化剂有更好的不对称诱导效果, 说明SBA-15很适合用作手性催化剂的载体。

以上这些材料都克服了一般材料孔径太小,离子交换能力小,酸含量及酸强度低,水热稳定性不高等缺点,显示出了优良的催化性能。

介孔碳是最近发现一类新型的非硅基介孔材料,由于它具有巨大的比表面积(可高达2500m2/g) 和孔体积(可高达2.25cm3/g),非常有望在催化剂载体、储氢材料、电极材料等方面得到重要的应用,因此受到人们高度重视。合成介孔碳的通常的方法是硬模板法,利用MCM-48,SBA-15等介孔分子筛为模板,选择适当的前驱物,在酸的催化下使前驱物碳化,沉积在介孔材料的孔道内,然后用NaOH或HF等溶掉介孔SiO2,就得到介孔碳。Ry-oo等以SBA-15为模板剂合成出CMK-3等。另外一种仅仅在介孔SBA-15的孔道内壁沉积上一定厚度的碳,除去介孔SiO2后,得到同样是二维六方阵列的碳纳米空心管。

介孔分子筛SBA-15的研究在过去短短的几年中取得了很大的进步,同时也为催化、吸附分离以及高等无机材料等学科开拓了新的研究领域。在介孔硅基分子筛制备研究中发现的基于表面活性剂超分子组装技术也将是该领域的主要研究方向之一,关于反应物和溶剂分子在分子筛SBA-15孔道内的扩散行为和存在状态及其对催化反应的影响、分子筛在催化反应体系中的机械与化学稳定性,分子筛在

反应后的回收及再活化等方面的研究也会引起普遍重视。可以设想,有关新组成或新结构中介孔硅基分子筛SBA-15的合成及其骨架形成机理以及各骨架元素之间的化学配位关系的研究,仍将继续深入。随着以上各方面工作的进一步开展,介孔分子筛SBA-15理论研究和应用方面必将走上新台阶。

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