介孔氧化硅分子篩膜的仿生合成與表征.pdf

1、有序介孔薄膜材料因其獨特的優(yōu)點及其巨大的潛在應(yīng)用，正成為材料科學(xué)家們的研究熱點。介孔薄膜是指孔徑位于2nm～50nm之間的多孔無機膜，它不僅具有無機膜良好的化學(xué)穩(wěn)定性、機械強度大、極好的耐熱性、好的抗菌性能、無毒等優(yōu)點，還具有普通無機膜所不具有的特殊的尺寸效應(yīng)、功能性等優(yōu)點。有序的介孔無機膜在膜反應(yīng)器、超濾分離、納米材料的制備、選擇性電極、傳感器、電致變色裝置和低介電常數(shù)微電子絕緣層等方面的應(yīng)用有著巨大的潛在優(yōu)勢。 仿生合成是無

2、機材料合成發(fā)展的新趨勢，將成為21世紀(jì)合成化學(xué)中的前沿領(lǐng)域，仿生合成技術(shù)(BiomimeticSynthesis)是一種嶄新的無機材料合成技術(shù)，模擬生物礦化過程，通過有機大分子和無機物離子在界面處的相互作用，從分子水平控制無機物相的析出，從而獲得具有特殊的多級結(jié)構(gòu)和組裝方式的無機材料，使材料具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能。 該論文采用仿生合成的技術(shù)對有序介孔氧化硅薄膜的制備和表征進行了研究和探討。該文模擬生物礦化過程，以兩親的有機大分

3、子的自組裝體為模板，調(diào)控?zé)o機物前驅(qū)體的成核和生長，在氣-水界面和粗糙孔的α-Al2O3陶瓷管上仿生合成出了介孔氧化硅分子篩膜，并做了大量的XRD、SEM、TEM、TGA、物理吸附等表征。 主要結(jié)果和結(jié)論： 1.以兩親的表面活性劑的六方相液晶為模板，于室溫下在氣/水界面上成功地制備了孔道為一維的六方相介孔氧化硅薄膜。詳細(xì)考察了物料配比、晶化時間、攪拌強度等不同條件對非擔(dān)載薄膜制備的影響。研究結(jié)果表明，溶液的酸度及表面活性劑

4、的用量對成膜的影響較大，酸度大時，膜薄，易破裂；表面活性劑的用量大時，在膜層中很容易富集CTAB的晶體。溶膠組成中表面活性劑濃度的大小可以調(diào)控膜孔徑的大小，表面活性劑的濃度越小，所合成的膜孔徑就越小。攪拌強度對膜的組成結(jié)構(gòu)具有較大的影響，強攪拌時所合成的膜為單一孔徑的六方相介孔SiO2膜；而攪拌強度弱時，在一定的物料配比下能夠制備出復(fù)合孔徑的SiO2膜。物料配比不同時，合成最優(yōu)膜所需的晶化時間不同。在無機物種的濃度相差不大的情況下，溶液

5、的酸度越大，成膜越快，得到最優(yōu)膜所需的晶化時間越短。隨著晶化時間的延長，SiO2膜經(jīng)歷一個從無序到有序再到有序度降低的過程。SEM測試表明膜的上表面光滑，下表面較粗糙，證明膜的生長是從表面開始向溶液里生長的。膜的平均厚度約為20μm。TGA曲線分析表明介孔SiO2膜的熱失重分三個階段，總失重率為65％。 2.通常分子篩膜的合成技術(shù)是基于分子篩的合成技術(shù)。因此，在制備MCM-48介孔氧化硅分離膜之前，首先進行MCM-48介孔氧化硅

6、分子篩的合成研究。該文詳細(xì)考察了影響MCM-48介孔氧化硅分子篩合成的各種因素。研究結(jié)果表明，在一定的物料配比范圍內(nèi)，均可以合成出高質(zhì)量的MCM-48介孔分子篩，合成MCM-48介孔分子篩的最佳時間為3d，最佳溫度為100℃。在最佳合成條件下，所合成的MCM-48分子篩孔徑為2.74nm，大小為0.4μm。 在凝膠中加入無機鹽和使用混合表面活性劑均合成出了高質(zhì)量的MCM-48分子篩，分子篩的比表面積均大于1000m2/g，孔徑均

7、大于2nm。其中，凝膠中加入無機鹽合成出來的MCM-48分子篩孔壁最厚，而且具有最高的比表面積及孔容，比表面積達(dá)到1714m2/g，孔容達(dá)到1.132cm3/g。 3.首次以平均孔徑為（2～5）μm的粗糙孔α-Al2O3陶瓷管為載體，以兩親的表面活性劑的立方相液晶為模板，在水熱條件下合成具有三維孔道結(jié)構(gòu)的立方相MCM-48介孔氧化硅薄膜。研究結(jié)構(gòu)表明，由于所用載體的表面較粗糙且孔徑較大，原位合成很難在其表面形成完整無缺陷的薄膜。

8、對載體進行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，是成功制備載體膜的先決條件。 首次報道采用預(yù)堵孔法對粗糙孔α-Al2O3陶瓷管載體進行預(yù)處理，成功制備立方相MCM-48介孔氧化硅薄膜的研究。載體進行預(yù)堵孔的作用主要是既可以起到修飾載體的作用；又可以起到激活載體的作用，對一次晶化成功制備無缺陷高性能薄膜起著決定性的作用。該方法同預(yù)涂SiO2和γ-Al2O3過渡層相比既簡單又有效。 以粗糙孔的α-Al2O3陶瓷管為載體，首次采用二次生長法即預(yù)涂晶種

9、法制備立方相MCM-48介孔氧化硅薄膜。并且首次報道了以混合表面活性劑為模板成功制備立方相MCM-48介孔氧化硅薄膜的研究。無論以單一表面活性劑為模板還是以混合表面活性劑為模板，二次生長法均可以在粗糙孔的α-Al2O3陶瓷管上一次晶化成功制備無缺陷高性能的MCM-48介孔氧化硅薄膜。利用該方法的顯著優(yōu)點為可以加快基膜表面MCM-48介孔氧化硅薄膜的形成，防止雜晶的生成。但該方法對晶種的要求較高，要求晶種大小均勻且尺寸相當(dāng)。 首次