SiO2阶层多孔结构搭建及块体材料制备机理

doi:10.3866/PKU.WHXB201604082

摘要/Abstract

摘要：

借助溶胶-凝胶结合相分离和模板法进行了阶层多孔结构的搭建及二氧化硅多孔块体材料的制备，表征了阶层多孔块体的显微结构及孔结构特性，分析了阶层多孔结构的搭建机理。研究结果表明，三嵌段共聚物聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷（P123）的加入不仅诱导共混体系发生相分离，调控大孔结构的形成，同时形成球形胶束并作为模板剂进入骨架，而1，3，5-三甲基苯（TMB）的加入使P123形成的胶束膨胀且更加稳定，在骨架上成功引入了球形介孔，骨架中凝胶粒子相互聚集形成微孔，从而搭建贯通大孔-球形介孔-微孔同时分布的阶层多孔结构，并获得相应的多孔块体材料；当正硅酸甲酯（TMOS）：P123：TMB摩尔比为1：0.015：0.353时，多孔块体材料的阶层多孔结构最优，大孔孔径为0.5-1.5 μm，介孔孔径为3-4 nm，显气孔率66.1%，比表面积为616 m²·g^-1。

关键词: 溶胶-凝胶, 二氧化硅, 阶层多孔结构, 多孔块体, 模板剂, 胶束膨胀剂

Abstract:

Hierarchically porous SiO₂ monoliths were prepared via sol-gel process accompanied by the phase separation and template method. The microstructure and pore structures of the monoliths were characterized, and the formation mechanism of hierarchically porous structures was investigated. The results show that the addition of poly(ethyleneoxide)-block-poly (propyleneoxide)-block-poly (ethyleneoxide) (P123) induces the phase separation to adjust the formation of the macroporous structure, and the spherical P123 micelles are also formed and distributed into the skeletons as templates. The addition of the micelle-swelling agent 1,3,5-trimethylbenzene (TMB) expands and stabilizes the P123 micelles, so that uniform spherical mesopores are successfully introduced into the macroporous framework. Meanwhile, the gel nanoparticles on the skeletons aggregate to form micropores. As a result, the hierarchically porous structures are constructed by well-defined interconnected macropores-spherical mesopores-micropores, and the corresponding porous monoliths are prepared. When the mole ratio of tetramethoxysilane (TMOS) : P123 : TMB is 1 : 0.015 : 0.353, the optimum hierarchical structure is obtained with macropore size of 0.5-1.5 μm, mesopore size of 3-4 nm on the skeleton, apparent porosity of 66.1% and Brunauer-Emmett-Teller (BET) specific surface area as high as 616 m²·g^-1.

Key words: Sol-gel, Silica, Hierarchically porous structure, Porous monoliths, Template, Micelle-swelling agent

郭兴忠,丁力,于欢,单加琪,杨辉. SiO₂阶层多孔结构搭建及块体材料制备机理[J]. 物理化学学报, 2016, 32(7), 1727-1733. doi: 10.3866/PKU.WHXB201604082

Xing-Zhong GUO,Li DING,Huan YU,Jia-Qi SHAN,Hui YANG. Construction and Preparation Mechanism of Hierarchically Porous SiO₂ Monoliths[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32(7), 1727-1733. doi: 10.3866/PKU.WHXB201604082

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201604082

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2016/V32/I7/1727

参考文献

1	Amatani T. ; Nakanishi K. ; Hirao K. ; Kodaira T Chem. Mater. 2005, 17 (8), 2114.
2	Unger K. ; Rupprecht H. ; Valentin B. ; Kircher W Drug Dev. Ind. Pharm. 1983, 9, 69.
3	Nakanishi K. ; Tanaka N Accounts Chem. Res. 2007, 40, 863.
4	Shi Z. G. ; Feng Y. Q. ; Xu L. ; Da S. L. ; Zhang M Carbon 2003, 41 (13), 2677.
5	Chen X. ; Wang X. ; Fu X Energy Environ. Sci. 2009, 2, 872.
6	Chen L. H. ; Li X. Y. ; Rooke J. C. ; Zhang Y. H. ; Yang X. Y. ; Tang Y. ; Xiao F. S. ; Su B. L. J. Mater. Chem. 2012, 22, 17381.
7	McCusker L. B. ; Liebau F. ; Engelhardt G Pure Appl. Chem. 2001, 73 (2), 381.
8	Su, B. L.; Sanchez, C.; Yang, X. Y. Hierarchically Structured Porous Materials: from Nanoscience to Catalysis, Separation, Optics, Energy, and Life Science; John Wiley & Sons: Hoboken, 2012; Vol. 22, pp 621-631.
9	Hüsing N. ; Schubert U. Angew. Chem. Int. Edit. 1998, 37 (1-2), 22.
10	Kresge C. T. ; Leonowicz M. E. ; Roth W. J. ; Vartuli J. C. ; Beck J. S Nature 1992, 359, 710.
11	Zhao D. Y. ; Feng J. L. ; Huo Q. S. ; Melosh N. ; Fredrickson G. H. ; Chmelka B. F. ; Stucky G. D Science 1998, 279, 548.
12	Majoulet O. ; Alauzun J. G. ; Gottardo L. ; Gervais C. ; Schuster M. E. ; Bernard S. ; Miele P Microporous Mesoporous Mat. 2011, 140 (1), 40.
13	Imhof A. ; Pine D. J Adv. Mater. 1998, 10 (9), 697.
14	Sen T. ; Tiddy G. J. T. ; Casci J. L. ; Anderson M.W. Microporous Mesoporous Mat. 2005, 78 (2), 255.
15	Nakanishi K. ; Sato Y. ; Ruyat Y. ; Hirao K. J.Sol-gel Sci. Techn. 2003, 26 (1-3), 567.
16	Shi Z. G. ; Feng Y. Q. ; Xu L. ; Shi L. D. ; Yao Y. R Microporous Mesoporous Mat. 2004, 68 (1-3), 55.
17	Sm?tt J. H. ; Schunk S. ; Lindén M Chem. Mater. 2003, 15 (12), 2354.
18	Soler-Illia G. J. D. A. ; Sanchez C. ; Lebeau B. ; Patarin J. Chem. Rev. 2002, 102 (11), 4093.
19	Petkovich N. D. ; Stein A. Chem. Soc. Rev. 2013, 42 (9), 3721.
20	El-Safty S. A. ; Evans J. J.Mater. Chem. 2002, 12, 117.
21	Nakanishi K. ; Kobayashi Y. ; Amatani T. ; Hirao K. ; Kodaira T Chem. Mater. 2004, 16 (19), 3652.
22	Hua Z. L. ; Gao J. H. ; Bu W. B. ; Zhang L. X. ; Chen H. R. ; Shi J. L. J.Sol-gel Sci. Techn. 2009, 50 (1), 22.
23	Guo X. Z. ; Li W. Y. ; Zhu Y. ; Nakanishi K. ; Kanamori K. ; Yang H Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29 (3), 646.
23	郭兴忠; 李文彦; 朱阳; 中西和樹; 金森主祥; 杨辉. 物理化学学报, 2013, 29 (3), 646.
24	Nakanishi K. J. Porous Mat. 1997, 4 (2), 67.
25	Jinnai H. ; Nakanishi K. ; Nishikawa Y. ; Yamanaka J. ; Hashimoto T Langmuir 2001, 17 (3), 619.
26	Hasegawa G. ; Kanamori K. ; Nakanishi K. ; Hanadaet T Chem. Mater. 2010, 22 (8), 2541.
27	Hasegawa G. ; Kanamori K. ; Nakanishi K. ; Hanada T. J.Sol-gel Sci. Technol. 2010, 53 (1), 59.
28	Li W.Y. ; Guo X. Z. ; Zhu Y. ; Yang H. ; Kanamori K. ; Nakanishi K. J.Sol-gel Sci. Techn. 2013, 67 (3), 639.
29	Guo X. Z. ; Li W. Y. ; Nakanishi K. ; Kanamori K. ; Zhu Y. ; Yang H. J.Eur. Ceram. Soc. 2013, 33 (10), 1967.
30	Guo X. Z. ; Nakanishi K. ; Kanamori K. ; Zhu Y. ; Yang H. J.Eur. Ceram. Soc. 2014, 34 (3), 817.
31	Guo X. Z. ; Yan L. Q. ; Yang H. ; Li J. ; Li C. Y. ; Cai X. B Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27 (10), 2478.
31	郭兴忠; 颜立清; 杨辉; 李建; 李超宇; 蔡晓波. 物理化学学报, 2011, 27, 2478.
32	Zhong H. ; Zhu G. R. ; Yang J. ; Wang P. Y. ; Yang Q. H Microporous Mesoporous Mat. 2007, 100 (1), 259.
33	Wu Q. L. ; Zhang F. ; Yang J. P. ; Li Q. ; Tu B. ; Zhao D. Y Microporous Mesoporous Mat. 2011, 143 (2), 406.
34	Lettow J. S. ; Han Y. J. ; Schmidt-Winkel P. ; Yang P. D. ; Zhao D. Y. ; Stucky G. D. ; Ying J. Y Langmuir 2000, 16 (22), 8291.

[1]	王宁, 李一, 崔乾, 孙晓玥, 胡悦, 罗运军, 杜然. 金属气凝胶：可控制备与应用展望[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212014 -0 .
[2]	王磊, 孙毯毯, 闫娜娜, 刘晓娜, 马超, 徐舒涛, 郭鹏, 田鹏, 刘中民. 不同结构导向剂合成不同硅含量SAPO-34分子筛的酸性质[J]. 物理化学学报, 2022, 38(4): 2003046 - .
[3]	刘芳,张鲁凤,董倩,陈卓. 小尺寸金石墨纳米颗粒的合成与表征[J]. 物理化学学报, 2019, 35(6): 651 -656 .
[4]	王庆庆, 王锦玲, 姜胜祥, 李平云. 溶胶-凝胶法设计与制备金属及合金纳米材料的研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(11): 1186 -1206 .
[5]	孙小祥,陈宇,赵剑曦. 气相二氧化硅/季铵Gemini表面活性剂稳定的泡沫体系[J]. 物理化学学报, 2016, 32(8): 2045 -2051 .
[6]	王瑞芬,王福明,宋金玲,安胜利,王鑫. RE-B共掺杂片层TiO₂的合成及其光催化性能[J]. 物理化学学报, 2016, 32(2): 536 -542 .
[7]	赵淑蘅,郎林,江俊飞,阴秀丽,吴创之. 高硅MFI分子筛膜的合成与低温脱除膜内有机模板剂[J]. 物理化学学报, 2016, 32(2): 519 -526 .
[8]	孙孝飞,徐友龙,郑晓玉,孟祥飞,丁朋,任航,李龙. 三元掺杂改性锂离子电池正极材料Li₃V₂(PO₄)₃[J]. 物理化学学报, 2015, 31(8): 1513 -1520 .
[9]	黄志鹏, 郭琳昱, 郭超, 赵盟盟, 王雪华, 金钊, 罗晋花, 王鑫, 冯季军. 碳热还原辅助溶胶-凝胶法制备氟代聚阴离子型嵌/脱锂材料LiVPO₄F/C[J]. 物理化学学报, 2015, 31(4): 700 -706 .
[10]	赵淑蘅, 郎林, 阴秀丽, 杨文申, 吴创之. 低温加氢裂解脱除高硅ZSM-5分子筛内TPAOH模板剂[J]. 物理化学学报, 2015, 31(4): 793 -799 .
[11]	王文轩, 邓绍新, 史成香, 孙平川, 陈铁红. 以阴离子表面活性剂/阳离子聚铵复合胶束为模板合成有序介孔二氧化硅[J]. 物理化学学报, 2015, 31(4): 707 -714 .
[12]	陈凤英,肖丽,杨翠霞,庄林. 钙钛矿型复合氧化物CaVO₃的制备及对氧还原反应的电催化性能[J]. 物理化学学报, 2015, 31(12): 2310 -2315 .
[13]	陈爱民, 薄盈盈, 邵晨熠, 汪晶, 胡军. Cu₃B₂O₆/CuB₂O₄单晶的制备及其可见光催化降解亚甲基蓝[J]. 物理化学学报, 2014, 30(9): 1713 -1719 .
[14]	鄢景森, 王海彦, 张静茹, 徐惠娟. TiO₂-Al₂O₃载体的制备方法对其负载的磷化镍催化剂加氢脱氮反应性能的影响[J]. 物理化学学报, 2014, 30(7): 1309 -1317 .
[15]	于欢, 杨辉, 姚睿, 郭兴忠. 银纳米颗粒负载阶层多孔二氧化硅块体的制备及表征[J]. 物理化学学报, 2014, 30(7): 1384 -1390 .

SiO₂阶层多孔结构搭建及块体材料制备机理

Construction and Preparation Mechanism of Hierarchically Porous SiO₂ Monoliths

RichHTML

PDF

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

Metrics

推荐阅读 0