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一文了解介孔二氧化硅材料的改性及应用


来源:中国粉体网   三昧

[导读]  一文了解介孔二氧化硅材料的改性及应用。

中国粉体网讯  


介孔二氧化硅材料的简介


介孔材料是一种孔径介于微孔与大孔之间的新型材料。国际纯粹和应用化学协会(IUPAC)根据孔径大小的不同,将多孔材料分为三类:小于2nm的为微孔(microporous)材料;介于2-50nm的为介孔(mesoporous)材料;大于50nm的为大孔(macroporous)材料。


 

多孔材料的孔径分类图


介孔材料依照化学组成,可分为硅基和非硅基两大类。非硅基介孔材料主要包括过渡金属氧化物、磷酸盐和硫化物等。相较非硅基介孔材料,硅基介孔材料的研究更为成熟。硅基介孔材料具有孔道结构规则,孔径分布狭窄等特点,广泛应用于分离提纯、吸附、催化、传感、药物装载及缓释等领域。


介孔二氧化硅材料的分类和特点



介孔二氧化硅材料的应用


介孔二氧化硅材料具有优异吸附材料的特性:孔道结构有序性;孔径分布单

一性和可调控性,介孔形状多样性。使其在吸附分离,工业催化、生物医学、环境保护等领域具有极为重要的作用。


(1)较高的比表面积和较大的孔体积,使其可以作为药物载体或催化载体应用于医药和催化领域。

(2)孔径呈单一分布,并且调控范围宽,使其可以作为可控反应器制备半导体材料。

(3)独特的孔壁结构和微观形貌,使其在光学和电学领域有非常好的应用前景。

(4)热稳定性和水热稳定性良好,同时表面附有大量硅羟基,可以进行表面化学改性,使其成为一种很有前途的新型复合载体。


介孔二氧化硅材料的改性


介孔二氧化硅材料表面含有大量羟基,表面能量较高,很容易团聚,影响有机体的分散,均匀性变差,导致组装材料的利用率明显降低。因此,进行改性能降低其表面能量,有效的提高分散率。改性的方法很多,有表面物理修饰和表面化学修饰两大类。


表面物理修饰主要通过吸附,包裹等物理作用,利用紫外线,等离子体等手段对粒子的表面进行改性。


表面化学修饰主要利用偶联剂进行改性。通过含有机官能团的偶联剂与介孔二氧化硅材料作用,将功能官能团以共价键方式嫁接到介孔材料孔壁上,实现介孔二氧化硅材料的功能化。常用的表面化学修饰方法有两种:共缩聚法和后嫁接法。


共缩聚法(co-condensation),即一步制备法,是在模板剂作用下,将有机偶联剂与无机源同时加入到体系中,在生成介孔结构的同时将官能团引入到孔道中。


 

共缩聚法制备介孔二氧化硅材料


优点:可以制备负载量较高,分散均一的功能化介孔二氧化硅材料。

缺点:制备条件是酸性或碱性,许多偶联剂在这种条件下极不稳定,容易分解或变性。同时,引入的官能团量过大也将破坏材料介孔结构的形成。


后嫁接法(post-synthesis)是先制备介孔二氧化硅材料,再将偶联剂加入到已制备的介孔二氧化硅材料中,在有机溶剂中回流。


后嫁接法制备介孔二氧化硅示意图


特点:反应通常在氮气保护下进行,能够抑制偶联剂自身水解,整个修饰过程不会破坏介孔材料本身的结构,还能很好的控制功能化程度,所以后嫁接法更多被使用。


在此基础上更复杂的嫁接也相继出现,如多步嫁接。也有很多研究者通过不同的方法改性介孔二氧化硅材料,以提高其处理废水中重金属离子的能力。


涂层法


涂层法原理和嫁接法类似,利用介孔二氧化硅表面的硅羟基和有机硅烷反应,同时在少量水分辅助下,有机硅烷之间也可以发生自聚反应,从而形成一种层状物。涂层法可以产生大量的有机官能团,在材料的孔结构不被显著堵塞的情况下,有可能成为一种良好的吸附剂。


浸渍法


浸渍法是将一种或几种活性组分通过浸渍载体,负载在载体上的方法。通常是用载体与活组组分溶液接触,使活性组分溶液吸附或贮存在载体毛细管中,除去过剩的溶液,再经干燥活化制得吸附剂。


镶嵌法


有序介孔材料所特有的、纳米范围内规则排列、连续可调的孔道结构,无疑为人们对纳米粒子的研究提供了良好的物质条件。从而为在微观角度研究介孔材料的物理、化学特性提供了有力的依据。利用镶嵌方法,在介孔孔道内装载并形成均匀、稳定且尺寸可调的离子、原子或分子团簇,文献中已有大量报导。


参考资料:

赵大洲.两种形态介孔二氧化硅的功能化及不同形貌碳酸钙的制备

魏建文.介孔二氧化硅改性及其吸附CO2研究


(中国粉体网编辑整理/三昧)

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