CN100575266C - 一种利用硬模板合成有序介孔氧化锰或氧化钴的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用硬模板合成有序介孔氧化锰或氧化钴的方法涉及固体介孔材料制备领域。该方法分为两步进行：(1)以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，在酸性条件下，采用三嵌段共聚物EO106PO70EO106(Pluronic F127)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为软模板剂，在自压釜中于一定温度下水热处理后可得到多面体状有序介孔二氧化硅粉末(即SBA-16)；(2)以该粉末为硬模板，以硝酸锰或硝酸钴为金属源，采用多次超声波浸渍—洗涤—干燥—灼烧的方法，合成出有序介孔氧化锰或有序介孔氧化钴。本发明所制得的有序介孔氧化锰和有序介孔氧化钴适合于作电极材料、催化剂及载体等，同时在能量存贮、磁性、光电材料等方面也有一定的用途。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体介孔材料制备技术，具体涉及一种利用多面体状三维介孔二氧化硅(即SBA-16)作为硬模板来合成高比表面积有序介孔氧化锰或有序介孔氧化钴的方法。
背景技术
近年来，纳米粒子和有序孔材料制备技术得到了迅速发展，使得可控合成此类材料成为可能。由于介孔氧化物材料不仅具有较高的比表面积和孔容，使其成为表面结构和多相催化等方面的重要研究对象，被广泛地应用于气体分离、多相催化、储能、电磁，光电等众多领域。因此，研发高比表面积的有序介孔金属氧化物的制备方法具有重大的实用价值。
介孔金属氧化物通常的制备方法是使用软模板剂的溶胶-凝胶法，即利用所要求的前驱物与软模板剂形成溶胶，在一定温度下活化前驱物，再在一定条件下除去有机软模板剂，最后可得到具有介孔结构的目标产物。例如：Hong等采用马来酸和KMnO4反应，通过溶胶-凝胶过程得到虫孔状介孔氧化锰，而在经200-400℃灼烧后，产物的比表面积由灼烧前的297m2/g降低到43m2/g，其孔径分布在0.7-6.0nm较宽的范围内(X.L.Hong，et al.，Mater.Res.Bull.，2003，38：1695)；而Chen等采用油酸和KMnO4反应，经过自组装过程，合成了有序介孔MnO2，其比表面积和孔径分别为70m2/g和6.5nm(H.M.Chen，et al.，J.Phys.Chem.C，2007，111：18033)。这种溶胶-凝胶法合成介孔氧化物时，由于在灼烧、晶化去除模板剂时，孔道易塌陷而使产物的比表面积大大降低，而且孔道结构大多是虫孔无序的。近年来，采用硬模板法合成介孔氧化物也引起了广泛关注。例：Jiao等利用经正己烷功能化后的介孔二氧化硅(即KIT-6)为模板，经过浸渍、灼烧、洗涤和干燥过程，得到有序介孔MnO2、Mn2O3和Mn3O4，其比表面积分别为127m2/g、139m2/g和100m2/g，平均孔径分别为3.65nm、3.56nm和3.75nm(F.J iao，et al.，Adv.Mater.，2007，19：657；F.Jiao，et al.，Adv.Mater.，2007，19：4063)；Wang等则是利用乙烯功能化的介孔二氧化硅(即SBA-15和SBA-16)作模板，合成了比表面积为122m2/g、孔径为3.8nm的有序介孔Co3O4(Y.Q.Wang，et al.，Adv.Mater.，2007，17：54)。然而，在利用二氧化硅作硬模板时，均将其功能化(即烷基化)，增加了合成过程的繁琐程度和成本，尽管产物孔道的有序度有所提高，但目标产物的比表面积仍较低(均小于200m2/g)。因此，现有方法合成出的介孔氧化锰或介孔氧化钴在实用方面受到了很大程度的限制。
本发明直接利用多面体状三维介孔二氧化硅(即SBA-16)分子筛为硬模板，辅以超声波分散技术，经过多次超声波浸渍-洗涤-干燥-灼烧过程，使金属硝酸盐能够充分地占据模板的孔道，再经灼烧、碱液洗涤、干燥等步骤，便可得到很高比表面积(340-490m2/g)的有序介孔氧化锰或有序介孔氧化钴。开辟了一种合成高比表面积且具有有序介孔结构的过渡金属氧化物的新途径。
发明内容
本发明的目的在于克服以往其它有机模板法所得样品孔结构规整度较差、孔道易塌陷、硬模板法步骤繁杂、所得产物比表面积低等缺点。利用有序介孔分子筛作硬模板，借助超声波的作用，经过多次浸渍-干燥-灼烧过程，使金属盐分子能有效地分散到介孔分子筛的孔道内，再经灼烧、碱液洗涤和干燥等步骤，得到目标产物。
本发明先以正硅酸乙酯(TEOS)为原料，以三嵌段共聚物EO106PO70EO106(F127)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂，通过水热反应合成出多面体状介孔SBA-16分子筛，再以该多面体状介孔SBA-16分子筛作为硬模板，以硝酸锰或硝酸钴为金属源，在超声波作用下，经过多次超声波浸渍-洗涤-干燥-灼烧过程以及灼烧、碱液洗涤和干燥等步骤，得到高比表面积有序介孔结构的氧化锰或有序介孔结构的氧化钴。
具体步骤如下：
(1)参照文献方法(M.Mesa，et al.，Solid State Sci.，2005，7：990)，先合成多面体状有序介孔二氧化硅(即SBA-16)。其合成过程为：在室温下，将1.2g F127和0.14g CTAB加入到168mL的0.4mol/L HCl溶液中，搅拌60分钟，使之完全溶解后，将4.0g TEOS加入到上述溶液中，继续搅拌5分钟，转入自压釜内并置于95℃烘箱中进行水热处理120小时，取出过滤洗涤并于60℃干燥24小时，然后以1℃/min的速率升温至550℃并在550℃灼烧3小时，得白色二氧化硅(即多面体状有序介孔SBA-16)粉末。
(2)将上述有序介孔二氧化硅粉末加入到金属硝酸盐的水溶液中，超声波分散60-100分钟后，再洗涤、抽滤，60℃干燥24小时，然后置于马弗炉中以1℃/min的速率升温至250-300℃且在该温度下恒温灼烧90分钟，自然冷却；将所得样品再加入到金属硝酸盐的水溶液中，经过超声分散、洗涤、抽滤、干燥、灼烧等以上步骤，这样重复3-4次。最后将该样品置于马弗炉中以1℃/min的速率升温至400-450℃且在该温度下恒温灼烧150分钟，让其自然冷却至室温，即得到有序介孔氧化物前驱体；其中介孔氧化硅粉末与金属盐的摩尔比为1∶1-1∶5；
(3)用NaOH溶液浸泡所得有序介孔氧化物前驱体，超声波振荡100-120分钟，过滤并用去离子水洗涤，除去二氧化硅模板，再在60-70℃干燥20-24小时后，即得到有序介孔金属氧化物粉末。
利用X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及选区电子衍射(SAED)等技术表征所得产物的物理性质。结果表明，采用本发明方法所制得样品是具有有序孔道结构和高比表面积的介孔氧化锰或介孔氧化钴，比表面积为340-490m2/g，孔径为5.2-6.1nm。
本发明直接采用三维有序结构的介孔二氧化硅粉末为硬模板剂，并辅以超声波分散技术，能有效地克服现有技术不足，得到高比表面积的有序孔道结构的介孔金属氧化物。综合利用了介孔二氧化硅模板孔道规则有序、超声波振荡分散的特点，经过多次重复浸渍-洗涤-灼烧过程，合成出介孔金属氧化物。避免了将介孔二氧化硅模板功能化的过程；也避免了以往先借助二氧化硅模板合成出介孔碳模板，再借助碳模板合成出介孔金属氧化物等繁杂的过程。
本发明方法的制备成本低，操作过程简便且易于控制，目标产物孔径分布窄，比表面积大，并可调变金属盐种类得到不同组成的金属氧化物。目前还没有文献和专利报道过本发明的方法。
附图说明
为进一步了解本发明，下面以实施例作详细说明，并给出附图描述本发明得到的高比表面积有序介孔氧化锰或有序介孔氧化钴，其中：
图1(a)、1(b)分别为实施例1、实施例2和实施例3中使用的多面体状有序介孔SBA-16的SEM照片和TEM照片。
图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)分别为实施例1中有序介孔氧化锰前驱体(即含SBA-16的氧化锰)、有序介孔氧化锰样品的TEM照片、有序介孔氧化锰样品的N2吸附-脱附等温线和孔径分布曲线，其中2(b)中的插图为该样品的SAED图案。
图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)分别为实施例2中有序介孔氧化钴前驱体(即含SBA-16的氧化钴)、有序介孔氧化钴样品的TEM照片、有序介孔氧化钴样品的N2吸附-脱附等温线和孔径分布曲线，其中3(b)中的插图为该样品的SAED图案。
具体实施方式
本发明的具体实施步骤如下：
实施例1：在室温下，称取1.2g F127和0.14g CTAB，将之加入到168mL 0.4mol/L HCl溶液中，搅拌60分钟后，将4.0g TEOS加至上述溶液中，并搅拌5分钟，转入自压釜内并置于烘箱中在95℃水热处理120小时，而后取出过滤、洗涤并于60℃干燥24小时，然后以1℃/min的速率升温至550℃并在550℃灼烧3小时，得多面体状有序介孔SBA-16白色粉末，其比表面积为839m2/g，平均孔径为5.0nm，孔容为1.26cm3/g。
将1.0g多面体状有序介孔SBA-16加入到10mL的4.2mol/L的硝酸锰水溶液中，待超声波分散100分钟后，抽滤、洗涤、60℃干燥24小时，然后置于马弗炉中以1℃/min的速率升温至260℃且在该温度下恒温灼烧90分钟，自然冷却。再将所得样品重复浸渍-超声分散-洗涤-干燥-灼烧步骤3次，最后将所得样品置于马弗炉中以1℃/min的速率升温至420℃且在该温度下恒温灼烧150分钟，让其自然冷却至室温，即得到有序介孔氧化锰前驱体(即含SBA-16的氧化锰)，其比表面积为267m2/g，平均孔径为6.36nm，孔容为0.42cm3/g。
用2mo l/L的NaOH溶液浸泡洗涤所得介孔氧化锰前驱体粉末，超声波振荡120分钟后用去离子水洗涤，以除去SBA-16模板，再在60℃干燥24小时，即得到多晶有序介孔氧化锰，其比表面积为490m2/g，平均孔径为6.1nm，孔容为0.74cm3/g。
实施例2：硬模板SBA-16合成同实施例1。将0.5g SBA-16加入到10mL的1.0mol/L的硝酸钴水溶液中，超声波分散60分钟后，再抽滤、洗涤，60℃干燥24小时，然后置于马弗炉中以1℃/min的速率升温至300℃且在该温度下恒温灼烧90分钟，自然冷却。再将所得样品重复浸渍-超声分散-洗涤-干燥-灼烧步骤4次，最后将所得样品置于马弗炉中以1℃/min的速率升温至450℃且在该温度下恒温灼烧150分钟，让其自然冷却至室温，即得到有序介孔氧化钴前驱体(即含SBA-16的氧化钴)，其比表面积为256m2/g，平均孔径为4.95nm，孔容为0.56cm3/g。
用2mo l/L的NaOH溶液浸泡洗涤所得有序介孔氧化钴前驱体，超声波振荡100分钟后用去离子水洗涤，以除去SBA-16模板，再在60℃干燥24小时后，即得到多晶有序介孔氧化钴，其比表面积为342m2/g，平均孔径为5.2nm，孔容为0.61cm3/g。
实施例3：硬模板SBA-16合成同实施例1。将1.0g多面体状有序介孔SBA-16加入到15mL的2.0mol/L的硝酸锰水溶液中，超声波分散90分钟，其余实验步骤同实施例1。最后，得到多晶有序介孔氧化锰，其比表面积为452m2/g，平均孔径为5.5nm，孔容为0.67cm3/g。
Claims (2)
1.一种利用硬模板合成有序介孔氧化锰或氧化钴的方法，其特征在于，具体合成过程如下：
(1)合成出硬模板剂有序介孔二氧化硅粉末；合成方法如下：在室温下，将1.2g EO106PO70EO106和0.14g十六烷基三甲基溴化铵加入到168mL的0.4mol/L HCl溶液中，搅拌60分钟，使之完全溶解后，将4.0g正硅酸乙酯加入到上述溶液中，继续搅拌5分钟，转入自压釜内并置于95℃烘箱中进行水热处理120小时，取出过滤洗涤并于60℃干燥24小时，然后以1℃/min的速率升温至550℃并在550℃灼烧3小时，得有序介孔二氧化硅粉末；
(2)将上述有序介孔二氧化硅粉末加入到金属硝酸盐的水溶液中，超声波分散60～100分钟后，再洗涤、抽滤，60℃干燥24小时，然后置于马弗炉中以1℃/min的速率升温至250～300℃且在该温度下恒温灼烧90分钟，自然冷却；将所得样品再加入到金属硝酸盐的水溶液中，经过超声浸渍、洗涤、抽滤、干燥、灼烧以上步骤，这样重复3～4次；最后将该样品置于马弗炉中以1℃/min的速率升温至400～450℃且在该温度下恒温灼烧150分钟，让其自然冷却至室温，即得到有序介孔氧化物前驱体；其中介孔氧化硅粉末与金属盐的摩尔比为1∶1～1∶5；
(3)用NaOH溶液浸泡所得有序介孔氧化物前驱体，超声波振荡100～120分钟，过滤并用去离子水洗涤，除去二氧化硅模板，再在60～70℃干燥20～24小时后，即得到有序介孔氧化锰或氧化钴粉末。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属硝酸盐为硝酸锰或硝酸钴。
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