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第16卷第1期济南大学学报(自然科学版)Vol116,No.1
2002年3月JOURNALOFJINANUNIVERSITY(Sci.&Tech.)Mar.,2002

文章编号:1671-3559(2002)01-0101-04

有序介孔材料的合成及其在环境科学中的应用

国伟林,王西奎

(济南大学化学与环境工程学院,山东250022)

摘要:有序介孔材料具有高比表面积,孔道排列长程有序,
孔径在2~50nm之间。该类材料是以表面活性剂作为模1介孔材料的合成
板在一定条件下模板与无机组分相互作用通过超分子组装
,111合成机理
过程形成的。人们已经合成出具有不同组成、孔结构和性质
目前已经提出多种机理解释介孔材料的形成过
的介孔材料,这类材料在光、电、磁、催化和吸附分离等许多
程,这些模型大多认为在溶液中表面活性剂指导无
领域有潜在应用价值。本文对介孔材料的合成、合成机理以
机前驱体进行自组装因为表面活性剂都有一个亲
及在环境科学中的应用进行了综述。,
关键词:有序介孔材料;合成;应用;环境科学水基和一个长的亲油基,且可在水溶液中进行自组
中图分类号:TM285文献标识码:装,无机前驱体如何与表面活性剂进行相互作用是
各种不同合成路线所要讨论的主要问题。
按照国际纯粹与应用化学协会的定义,孔径在液晶模板机理(liquidcrystaltemplatingmecha-
[4]
2~50nm范围内的多孔材料称为介孔材料,它较原nism,LCT)是最早提出的并在后来普遍使用于硅
有的微孔分子筛(孔径<2nm)具有较大的孔径、较基介孔材料的合成,该机理由Mobil公司的研究人
高的比表面积(>1400m2/g)和壁厚以及较高的热员提出。他们认为,有序介孔材料的结构取决于表
稳定性和水热稳定性,因而一经诞生,即得到国际物面活性剂疏水链长度、不同表面活性剂浓度、有机溶
理学、化学与材料学界的高度重视,并得到迅速发胀剂等因素,并提出二种可能的合成途径:(1)当表
展,成为跨学科的研究热点之一[1]。面活性剂浓度较大时,先形成六方有序排列的液晶
由于介孔分子筛具有允许分子进入的更大的内结构,然后无机源以液晶为模板填充于其中;(2)无
表面和孔穴,所以可以处理较大的分子或基团,因此机离子加入后先与表面活性剂相互作用,按照自组
该类材料的使用为重油、渣油的催化裂化开辟了新装方式排列成六方有序的液晶结构。
天地。在有序排列的孔道中生长金属、半导体等化无机离子(一般在较高的pH值时带负电)与带
学个体,可以制备稳定的纳米颗粒或纳米线[2,3],由正电的表面活性剂相互作用,形成一个固相连续多
于量子尺寸效应及界面耦合效应的影响,获得的有孔结构,该无机)有机介孔结构可以看作是表面活
序介孔异质复合材料,将具有奇异的物理、化学性性剂以六方结构排列于硅基材料之中,当表面活性
能。在较大的介孔分子筛孔道中进行生物有机化学剂去除后即可得到空的介孔结构。事实上,途径(1)

模拟也成为可能;此外,在局部氧化、完全燃烧、NOx在一般情况下是不会发生的,这是因为所用的表面
降解、加氢脱硫过程、光催化降解有机物以及固体酸活性剂浓度都在形成六方液晶所需的临界胶束浓度
催化、吸附分离等领域也引起了人们的广泛关注。(CMC)之下;途径(2)是假定在CMC之下,由铵类
所以说,该类材料必将在化学、光电子学、电磁学、材表面活性剂与硅源相互作用后可进行自组装而提出
料学、环境学等诸多领域有巨大的潜在应用前的。在MCM-41的形成过程中,事实上并没有形
景[1]。成液晶相,因此人们据此又提出了其它一些理论。
Huo[5]等人在LCT合成途径(2)的基础之上提
出广义液晶模板机理(generalizedliquidcrystaltem-
platingmechamism,GLCT),并归纳出7种不同类型
收稿日期:2001-11-20的无机物与表面活性剂基团相互作用的方式。该机
第一作者简介:男,1968年生,讲师,博士研究生
理认为:表面活性剂分子与无机前驱体之间靠协同
102济南大学学报(自然科学版)第16卷

模板作用形成液晶相,然后进一步缩聚形成介孔相表征纳米孔材料的重要手段,利用TEM可观察一
结构。协同模板主要包括三种类型:靠静电力相互维孔道的六方排列、孔径的变化以及一维孔道的长
作用的电荷匹配模板;靠共价键相互作用的配位体程结构。进一步的表征还可用SEM、FT-IR和
辅助模板和靠氢键相互作用的中性模板。这三种模Raman光谱等。
板方式在合成不同介孔材料时均有所反映。图1即1.3介孔材料的化学修饰
为广义液晶模板机理协同模板示意图。对介孔分子筛进行孔内修饰就是将纳米尺度的
金属或非金属颗粒用化学或物理方法引入其中形成
复合体。该复合体兼有纳米颗粒和介孔固体的