CN101746775B - 一种有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，是先引入表面活性剂自组装体系，再在无机硅源和有机硅源预水解的基础上加入无机钛源进行自组装，然后通过水热反应，进行抽滤、洗涤、干燥，最后用有机溶剂回流萃取除去表面活性剂即可。本发明所制得的分子筛的孔径为3.0～9.0nm，孔容为0.3～1.5cm³/g，比表面积为400～1015m²/g，空间结构为二维六方结构(空间群p6mm)，具有介观有序度高、比表面积大、孔道尺寸均一、硅钛摩尔比可调及有机官能团均匀分布的优点；另外，本发明的制备方法还具有操作简单、原料来源广泛、设备要求低、制备成本低廉等有益效果。

Description

一种有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法

技术领域

本发明涉及一种有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，属于介孔材料制备技术领域。

背景技术

介孔分子筛是近年来迅速发展起来的一个研究领域。1992年，Mobil公司Kresge和Beck等首先利用烷基季铵盐阳离子表面活性剂为结构导向剂，合成出孔径在1.5～10nm范围可调变的新型M41S系列氧化硅(铝)基有序的介孔分子筛。1998年，赵东元等利用嵌段共聚物为表面活性剂，成功地获得孔径在10～40nm的SBA-15，其具有有序度高、稳定性好等特点。这些成果引起分子筛研究领域乃至材料科学领域科学家的高度重视。沸石的微孔将反应物的尺寸大小限制在约1.2nm以下，各种孔道修饰改性等工作也受到孔径尺寸的限制而无法实现。孔径大小在1.5～40nm范围内的介孔分子筛材料为这些努力提供了新的机会。正是由于介孔材料具有均一的且在纳米尺寸上连续可调的孔径、较大的比表面积和孔体积、多种多样规则有序的孔道结构、可控的形貌(如膜，片，球等)、可进行基团官能化的表面等一系列优点，在大分子或大离子吸附和分离、化学传感器、生物医学、化工催化、环境保护以及纳米材料的合成等领域展现出较传统沸石分子筛无可比拟的优越性和广阔的应用前景。

然而在实际应用中，仅依靠纳米结构介孔二氧化硅固体骨架的性能还远远不能满足要求，如何有效地改善其结构和性能，使其功能化，从而扩大其应用范围、提高其应用水平始终是其发展的重点。目前，虽有采用桥连的有机硅烷和超分子模板合成了有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的报道，该类材料相比于表面功能化的有序介孔氧化钛硅分子筛，其主要优点是：(1)有机官能团的含量较高，硅原子100％的与有机基团相连；(2)有机基团均匀地分布在骨架当中，因而能有效避免孔口堵塞的问题，同时，可有效提高其与吸附物的接触能力以及疏水性；(3)将有机基团引入孔墙内，能很好地调节材料的物理和化学性质，例如当有机基团为疏水基团时提高表面疏水性，因此在催化、感应、分离和微电子等方面有广泛的应用前景。但桥联有机硅源使合成非常不经济，在有机成分含量高的情况下疏水的有机基团导致相分离和无序材料的产生，特别是当氧化硅骨架中含有杂原子如钛、铁、镓等时，这一现象更为突出。由于骨架中的杂原子赋予介孔氧化硅独特的催化活性中心，这类材料在催化、吸附等方面有着广阔的应用前景，但合成多功能的、高有机基团含量的杂化介孔氧化硅分子筛十分困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，该方法不仅具有操作简单、制备成本低廉的优点，而且能使分子筛中的有机官能团均匀分布，分子筛的介观有序度高、比表面积大和孔道尺寸均一。

本发明所述的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，包括如下具体步骤：

a)将表面活性剂溶于稀盐酸溶液中，在20～40℃搅拌1～2小时至溶液澄清；所述表面活性剂为烷烃-聚环氧乙烯醚或聚环氧乙烯醚-聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚三元嵌段共聚物；

b)先在20～40℃逐滴滴加无机硅源于上述溶液中，再在30～60℃搅拌10～30分钟，然后加入有机硅源，继续搅拌1～2小时；其中：无机硅源和有机硅源的总质量与表面活性剂的质量比为1～5∶1；无机硅源与有机硅源的摩尔比为1～100∶1；所述无机硅源为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯或正硅酸丙酯；所述有机硅源为1，2-双(三乙氧基硅)乙烷、1，2-双(三乙氧基硅)乙烯、1，4-双(三乙氧基硅)苯、1，2-双(三甲氧基硅)乙烷、1，2-双(三甲氧基硅)乙烯或1，4-双(三甲氧基硅)苯；

c)加入无机钛源，在30～60℃搅拌20～24小时；其中：总硅源和钛源中的硅钛摩尔比为5～200∶1；所述无机钛源为三氯化钛、硫酸氧钛或四氯化钛和钛酸正丁酯的混合溶液；

d)在80～100℃进行水热反应20～30小时；

e)进行抽滤、洗涤、干燥，然后用有机溶剂回流萃取除去表面活性剂，即得有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛。

表面活性剂在稀盐酸溶液中的质量百分比浓度优选2～10％。

所述稀盐酸的摩尔浓度优选0.5～2mol/L。

所述表面活性剂以通式为C_aH_2a+1EO_b或EO_cPO_dEO_c的聚环氧乙烯醚-聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚三元嵌段共聚物，其中：a为10～18，b为5～25，c为5～135，d为25～135较佳，以Brij56(C₁₆H₃₃EO₁₀)、Brij76(C₁₆H₃₃EO₂₀)、Brij78(C₁₈H₃₇EO₁₀)、P123(EO₂₀PO₇₀EO₂₀)、F127(EO₁₀₆PO₇₀EO₁₀₆)或F108(EO₁₃₂PO₅₀EO₁₃₂)最佳。

无机硅源与有机硅源的摩尔比优选20～50∶1。

总硅源和钛源中的硅钛摩尔比优选5～50∶1。

所述四氯化钛和钛酸正丁酯的混合溶液是指0.043mL四氯化钛、0.204mL钛酸正丁酯溶于8.0mL异丙醇中形成的混合溶液。

回流萃取除去表面活性剂的有机溶剂优选乙醇或四氢呋喃，萃取时间优选12～36小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明制得了介观有序度高、比表面积大、孔道尺寸均一、硅钛摩尔比可调及有机官能团均匀分布的有机功能化介孔氧化钛硅分子筛；所制得的分子筛的孔径为3.0～9.0nm、孔容为0.3～1.5cm³/g、比表面积为400～1015m²/g、空间结构为二维六方结构(空间群p6mm)；另外，本发明的制备方法具有操作简单、原料来源广泛、设备要求低、制备成本低廉等有益效果。

附图说明

图1是实施例1制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的XRD谱图；

图2是实施例1制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的N₂吸附等温线图；

图3是实施例1制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的孔径分布曲线图；

图4是实施例1制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的FT-IR谱图；

图5是实施例2制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的XRD谱图；

图6是实施例2制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的紫外-可见(UV-vis)光谱图；

图7是实施例3制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的XRD谱图；

图8是实施例3制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的紫外-可见(UV-vis)光谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细、完整的说明，实施例中所用的试剂均为化学纯。

实施例1

a)将2.0g表面活性剂一P123加入30g 1M的盐酸水溶液中，在40℃搅拌至表面活性剂全部溶解，溶液澄清；

b)先在40℃逐滴滴加3.61mL无机硅源-正硅酸乙酯(TEOS)于上述溶液中，在40℃搅拌30分钟，然后加入0.29mL有机硅源-1，2-双(三乙氧基硅)乙烷(BTESE)，继续搅拌1～2小时；

c)逐滴滴加入0.78mL无机钛源-TiCl₃，在40℃继续搅拌22小时；

d)在100℃进行水热反应24小时；

e)冷却后，经抽滤、洗涤、室温自然干燥后得到白色粉末；

f)用乙醇溶剂回流萃取24小时后，冷却、抽滤、洗涤、干燥，即得：硅钛摩尔比(Si/Ti)为10的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛。

图1是本实施例制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的XRD谱图，由图可见：在小角区间内出现了3个衍射峰，其d值的比值为1∶√3∶2，表明本实施例所制备的分子筛具有有序二维六方结构(空间群：p6mm)。

图2是本实施例制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的N₂吸附等温线图，由图可见：本实施例所制备的分子筛的N₂吸附等温线为第IV型吸附等温线，在中等压力段发生了毛细凝聚现象，表明具有均匀的介孔孔径。

图3是本实施例制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的孔径分布曲线图，该孔径分布曲线是根据图2的N₂吸附等温线，进一步通过BJH方法计算得到的；由图可见：本实施例所制备的分子筛的孔径分布均匀。

图4是本实施例制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的FT-IR谱图，FT-IR谱图中在波长为960cm^-1处的特征峰一般认为是Si-O-Ti的伸缩振动峰，从而证明Ti-O-Si的存在。

另外，利用BET公式计算得到本实施例的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的比表面积为598m²/g，孔容为0.7cm³/g；利用BJH方法计算得到最可几孔径为8.0nm。

实施例2

a)将2.0g表面活性剂-P123加入45g 0.5M的盐酸水溶液中，在40℃搅拌至表面活性剂全部溶解，溶液澄清；

b)先在40℃逐滴滴加3.39mL无机硅源-正硅酸乙酯(TEOS)于上述溶

液中，在40℃搅拌30分钟，然后加入0.28mL有机硅源-1，2-双(三乙氧基硅)乙烷(BTESE)，继续搅拌1～2小时；

c)逐滴滴加入1.0mL无机钛源-TiCl₃，在40℃继续搅拌22小时；

d)在100℃进行水热反应24小时；

e)冷却后，经抽滤、洗涤、室温自然干燥后得到白色粉末；

f)用乙醇溶剂回流萃取24小时后，冷却、抽滤、洗涤、干燥，即得：硅钛摩尔比(Si/Ti)为6.7的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛。

图5是本实施例制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的XRD谱图，由图可见：本实施例所制备的分子筛具有有序二维六方结构(空间群：p6mm)。

图6是本实施例制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的紫外-可见(UV-vis)光谱图，由图可见：Ti主要以骨架四配位形式存在于分子筛中。

另外，利用BET公式计算得到本实施例的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的比表面积为928m²/g，孔容为1.2cm³/g；利用BJH方法计算得到最可几孔径为8.0nm。

实施例3

a)将2.0g表面活性剂-P123加入45g 0.5M的盐酸水溶液中，在40℃搅拌至表面活性剂全部溶解，溶液澄清；

b)先在40℃逐滴滴加3.35mL无机硅源-正硅酸乙酯(TEOS)于上述溶液中，在40℃搅拌30分钟，然后加入0.27mL有机硅源-1，2-双(三乙氧基硅)乙烷(BTESE)，继续搅拌1～2小时；

c)逐滴滴加入1.28mL无机钛源-TiCl₃，在40℃继续搅拌22小时；

d)在100℃进行水热反应24小时；

e)冷却后，经抽滤、洗涤、室温自然干燥后得到白色粉末；

f)用乙醇溶剂回流萃取24小时后，冷却、抽滤、洗涤、干燥，即得：硅钛摩尔比(Si/Ti)为5的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛。

图7是本实施例制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的XRD谱图，由图可见：本实施例所制备的分子筛具有有序二维六方结构(空间群：p6mm)。

图8是本实施例制备得到的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的紫外-可见(UV-vis)光谱图，由图可见：Ti主要以骨架四配位形式存在于分子筛中。

另外，利用BET公式计算得到本实施例的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的比表面积为980m²/g，孔容为1.3cm³/g；利用BJH方法计算得到最可几孔径为7.1nm。

实施例4

a)将2.0g表面活性剂-P123加入45g 0.5M的盐酸水溶液中，在40℃搅拌至表面活性剂全部溶解，溶液澄清；

b)先在40℃逐滴滴加3.81mL无机硅源-正硅酸乙酯(TEOS)于上述溶液中，在40℃搅拌30分钟，然后加入0.31mL有机硅源-1，2-双(三乙氧基硅)乙烷(BTESE)，继续搅拌1～2小时；

c)逐滴滴加入无机钛源-由0.043mL四氯化钛、0.204mL钛酸正丁酯溶于8.0mL异丙醇中形成的混合溶液，在40℃继续搅拌22小时；

d)在100℃进行水热反应24小时；

e)冷却后，经抽滤、洗涤、室温自然干燥后得到白色粉末；

f)用四氢呋喃溶剂回流萃取24小时后，冷却、抽滤、洗涤、干燥，即得：硅钛摩尔比(Si/Ti)为20的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛。

由XRD检测结果可知：本实施例所制备的分子筛具有有序二维六方结构(空间群：p6mm)。

另外，利用BET公式计算得到本实施例的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的比表面积为421m²/g，孔容为0.5cm³/g；利用BJH方法计算得到最可几孔径为8.0nm。

实施例5

a)将2.0g表面活性剂-Brij76加入30g 2M的盐酸水溶液中，在30℃搅拌至表面活性剂全部溶解，溶液澄清，然后升温至50℃；

b)先在50℃逐滴滴加2.89mL无机硅源-正硅酸甲酯(MSDS)于上述溶液中，在50℃搅拌30分钟，然后加入0.16mL有机硅源-1，4-双(三乙氧基硅)苯(BTEB)，继续搅拌1～2小时；

c)加入1.20g无机钛源-硫酸氧钛，在50℃继续搅拌22小时；

d)在90℃进行水热反应24小时；

e)冷却后，经抽滤、洗涤、在80℃过夜干燥后得到白色粉末；

f)用四氢呋喃溶剂回流萃取28小时后，冷却、抽滤、洗涤、干燥，即得：硅钛摩尔比(Si/Ti)为50的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛。

由XRD检测结果可知：本实施例所制备的分子筛具有有序二维六方结构(空间群：p6mm)。

另外，利用BET公式计算得到本实施例的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的比表面积为1015m²/g，孔容为0.3cm³/g；利用BJH方法计算得到最可几孔径为3.2nm。

Claims (10)

1.一种有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

a)将表面活性剂溶于稀盐酸溶液中，在20～40℃搅拌1～2小时至溶液澄清；所述表面活性剂为烷烃-聚环氧乙烯醚或聚环氧乙烯醚-聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚三元嵌段共聚物；

b)先在20～40℃逐滴滴加第一硅源于上述溶液中，再在30～60℃搅拌10～30分钟，然后加入第二硅源，继续搅拌1～2小时；其中：第一硅源和第二硅源的总质量与表面活性剂的质量比为1～5∶1；第一硅源与第二硅源的摩尔比为1～100∶1；所述第一硅源为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯或正硅酸丙酯；所述第二硅源为1，2-双(三乙氧基硅)乙烷、1，2-双(三乙氧基硅)乙烯、1，4-双(三乙氧基硅)苯、1，2-双(三甲氧基硅)乙烷、1，2-双(三甲氧基硅)乙烯或1，4-双(三甲氧基硅)苯；

c)加入钛源，在30～60℃搅拌20～24小时；其中：总硅源和钛源中的硅钛摩尔比为5～200∶1；所述钛源为三氯化钛、硫酸氧钛或四氯化钛和钛酸正丁酯的混合溶液；

d)在80～100℃进行水热反应20～30小时；

e)进行抽滤、洗涤、干燥，然后用有机溶剂回流萃取除去表面活性剂，即得有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛。

2.根据权利要求1所述的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，其特征在于：表面活性剂在稀盐酸溶液中的质量百分比浓度为2～10％。

3.根据权利要求1所述的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，其特征在于：所述稀盐酸的摩尔浓度为0.5～2mol/L。

4.根据权利要求1所述的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂的通式为C_aH_2a+1EO_b或EO_cPO_dEO_c的聚环氧乙烯醚-聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚三元嵌段共聚物，其中：a为10～18，b为5～25，c为5～135，d为25～135。

5.根据权利要求4所述的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为Brij56、Brij76、Brij78、P123、F127或F108。

6.根据权利要求1所述的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，其特征在于：第一硅源与第二硅源的摩尔比为20～50∶1。

7.根据权利要求1所述的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，其特征在于：总硅源和钛源中的硅钛摩尔比为5～50∶1。

8.根据权利要求1所述的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，其特征在于：所述四氯化钛和钛酸正丁酯的混合溶液是指0.043mL四氯化钛、0.204mL钛酸正丁酯溶于8.0mL异丙醇中形成的混合溶液。

9.根据权利要求1所述的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，其特征在于：回流萃取除去表面活性剂的有机溶剂为乙醇或四氢呋喃。

10.根据权利要求1所述的有机功能化有序介孔氧化钛硅分子筛的制备方法，其特征在于：除去表面活性剂的回流萃取时间为12～36小时。

Images