CN101767790A - 一种双孔分布氧化硅的合成方法 - Google Patents

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Abstract

一种双孔分布氧化硅的合成方法，包括将水、硅源和模板剂混合，调节其pH值为4～12，于40～120℃老化0.5～4天，然后过滤、洗涤、干燥、焙烧；所述模板剂为糖和表面活性剂的混合物，模板剂中糖和表面活性剂的质量比为0.5～2，硅和水的摩尔比为1∶30～1∶200，硅与模板剂的摩尔比为1∶0.005～2。本发明提供的双孔分布氧化硅，孔径较小的孔的可几孔径为2～10nm，孔径较大的孔的可几孔径为10～25nm，比表面积为400～750m2/g，孔容为0.8～1.5cm3/g。本发明提供的双孔分布氧化硅可用作吸附剂、催化剂或作为吸附剂、催化剂的载体。

Description

一种双孔分布氧化硅的合成方法
技术领域
本发明涉及一种氧化硅的合成方法。
背景技术
采用新的合成路线制备具有特殊性能及新型结构的材料是国内外材料领域的热点。1992年Mobile公司研究人员首次利用CnH2n+1N(CH3)3Br(n＞6)型阳离子表面活性剂为模板剂合成了M41S型系列介孔分子筛，因其高的比表面积、大的孔体积、狭窄的孔分布以及可调变的孔径等特点，在吸附、分离以及新型催化材料等领域具有潜在的工业应用前景。这种介孔分子筛孔径呈单值分布，而制备大分子裂化的催化裂化催化剂往往需要两级孔或多级孔的合理配置。
CN1304871A公开了一种双孔分子筛，该分子筛比表面积400～900m2/g，孔体积0.4～2cm3/g，小孔孔径：2～4nm，大孔孔径16～90nm；该分子筛的制备方法是用非离子表面活性剂作模板剂，采用有机硅氧烷与正硅酸乙酯为前驱体，在中性条件下低温水解缩聚合成双孔分布的分子筛。该专利公开的合成方法中使用两种有机硅源，并且在合成过程中使用氟化物。
CN1151065C公开了一种双孔二氧化硅材料的制备方法，以正硅酸乙酯为前驱体，单链阳离子表面活性剂十四、十六和十八烷基三甲基溴化铵(TTAB，CTAB和OTAB)为模板剂，均三甲苯(TMB)作为助溶剂，碱性条件下制得了小孔孔径2.5nm～3.2nm，大孔孔径8nm～46nm的双介孔分子筛。该发明使用对环境造成污染的有机助溶剂，采用有机硅化合物为硅源，合成条件苛刻。
CN1298625C公开了一种双介孔二氧化硅材料，其小孔孔径在3.2nm～3.9nm，大孔孔径在9.4nm～24.5nm，比表面积在408.6cm2/g～718.2cm2/g之间，孔体积0.53cm3/g～1.8cm3/g。其制备方法是以难溶性双烷基链季铵盐阳离子表面活性剂-双十八烷基二甲基氯化铵为模板剂，正硅酸乙酯为硅源，在一定的pH范围内，一定温度下水解缩聚而成。该发明使用机硅化合物为硅源，使用特殊表面活性剂，合成条件苛刻，成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新的双孔分布氧化硅的合成方法，本发明要解决的另外技术问题是提供一种该方法合成的双孔氧化硅。
本发明提供一种双孔分布氧化硅的合成方法，包括下列步骤：
(1)在水中加入硅源和模板剂，搅拌；其中，所述模板剂为糖和表面活性剂的混合物，所述硅源选自能溶于水的硅酸盐、能水解的有机硅化合物和硅溶胶中的一种或几种；所述表面活性剂为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂中的一种的或几种；硅和水的摩尔比为1∶30～1∶200，硅与模板剂的摩尔比为1∶0.005～1∶2；模版剂中糖和离子表面活性剂的质量比为0.5∶1～2∶1；
(2)调节步骤(1)得到的混合物的pH值为4～12，搅拌0.5～6h，得到先驱体溶胶；
(3)将步骤(2)得到的先驱体溶胶于40～120℃老化0.5～4天；
(4)将步骤(3)得到的老化后的先驱体溶胶过滤和洗涤，然后干燥得到先驱体粉末；
(5)将步骤(4)所得的先驱体粉末焙烧，得到双孔氧化硅。
本发明还提供一种双孔分布氧化硅，该双孔分布氧化硅由本发明提供的方法合成。
本发明提供的双孔分布氧化硅合成方法，采用水相合成，避免了使用昂贵的有机溶剂，用廉价的糖类分子和表面活性剂为结构导向剂，适用于多种硅源，且合成方法简单，操作灵活多变，可调控所制备的氧化硅双孔孔道结构。本发明双孔氧化硅合成方法合成的双孔氧化硅，具有高比表面积、大孔容，在2～100nm的孔径范围内具有双孔分布，孔径分布可控，其小孔可几孔径可以在2～10nm、大孔可几孔径可在10～25nm的范围内调整。
具体实施方式
本发明提供的双孔分布氧化硅的合成方法中，所述的糖为葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖、纤维素、淀粉、葡聚糖以及β～环糊精中的一种或几种；所述表面活性剂为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂中的一种的或几种的混合物，优选情况下，所述表面活性剂为阳离子表面活性剂例如脂肪胺盐、C12～C18烷基三甲基氯化铵、C12～C18烷基三甲基溴化铵以及C12～C18烷基二甲基苄基氯化铵、C12～C18烷基二甲基苄基溴化铵中的一种或几种，或者为非离子表面活性剂例如脂肪醇聚氧乙烯醚、吐温、烷基酚聚氧乙烯醚以及聚乙二醇中的一种或几种，或者为阴离子表面活性剂例如羧酸盐、烷基磺酸盐和烷基苯磺酸盐中的一种或几种。所述表面活性剂优选为C12～C18烷基三甲基氯化铵以及C12～C18烷基三甲基溴化铵中的一种或几种，或者为聚环氧乙烷～聚环氧丙烷-聚环氧乙烷、吐温或聚乙二醇中的一种或几种，或者为十二烷基硫酸钠。当使用使用糖和非离子表面活性剂为模板剂，可以得到小孔可几孔径较大的双孔氧化硅。
本发明提供的双孔分布氧化硅的合成方法中，所述能溶于水的硅酸盐例如水玻璃，优选为钠水玻璃；所述能水解的有机硅化合物例如正硅酸乙酯和/或正硅酸甲酯。
本发明提供的双孔分布氧化硅的合成方法中，将硅源和模板剂加入到水中，搅拌，使得到的混合物均匀，优选搅拌0.5～4h，更优选搅拌1～3h，然后调节其pH值为4～12，可以用酸或碱溶液调节其pH值，所述碱例如氢氧化钠、氨水，所述酸例如盐酸、硫酸或硝酸；然后搅拌0.5～6h，优选搅拌1～3h，得到先驱体溶胶；将得到的先驱体溶胶于40～120℃老化0.5～4天，优选于60～100℃老化1～4天，然后进行过滤、洗涤、干燥得到先驱体粉末；将先驱体粉末于500～800℃下焙烧2.5小时以上，得到双孔分布氧化硅，焙烧温度优选为550～650℃，焙烧时间优选为3～9小时。
本发明合成原料中硅与模板剂的摩尔比优选为1∶0.06～1∶0.2，硅和水的摩尔比优选为1∶50～1∶100。
本发明提供的双孔分布氧化硅，具有双孔分布，孔径较小的孔的可几孔径为2～10nm，较大孔的可几孔径为10～25nm，比表面积为400～750m2/g，孔容为0.8～1.5cm3/g。
本发明提供的双孔分布氧化硅可以作为催化剂、吸附剂、催化剂载体或者吸附剂载体。
实施例中的比表面积和脱附孔径采用BET法测定。可参见《石油化工分析方法(RIPP试验方法)》(杨翠定、顾侃英编，1990，科学出版社)的RIPP 151-90方法。
实施例l
以正硅酸乙酯为硅源，葡萄糖和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的混合物为模板剂合成双孔分布氧化硅。
将8.59g正硅酸乙酯(国药集团化学试剂有限公司，SiO2质量含量28.0％)、1.98g葡萄糖(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)和1.47gCTAB(国药集团化学试剂有限公司，质量含量99.0％)加入到36ml水中，室温下搅拌3个小时，用浓度10重量％的稀盐酸溶液调节pH值为4.0，搅拌6小时，于40℃老化96小时，将所得混合物过滤、用去离子水洗涤，于100℃下干燥，600℃焙烧6小时，得到双孔分布氧化硅，其性质见表1。
实施例2
以硅酸钠为硅源，葡萄糖和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)混合物为模板剂合成双孔分布氧化硅。
将11.78g硅酸钠(Na2SiO3·9H2O，国药集团化学试剂有限公司，Na2O质量含量19.3～22.8％)、1.98g葡萄糖(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)和1.47g CTAB(国药集团化学试剂有限公司，质量含量99.0％)加入到36ml水中，室温下搅拌0.5个小时，用浓度10重量％稀氢氧化钠溶液调节pH值为12.0，然后搅拌3小时，停止搅拌，于80℃老化48小时；将所得混合物进行过滤，用去离子水洗涤，于120℃下干燥，然后于640℃焙烧3小时，得到双孔分布氧化硅，其性质见表1。
实施例3
以正硅酸乙酯(国药集团化学试剂有限公司，SiO2质量含量28.0％)为硅源，蔗糖和聚氧乙烷～聚氧丙烷～聚氧乙烷(P123)混合物为模板剂合成双孔分布氧化硅。
将8.59g正硅酸乙酯(国药集团化学试剂有限公司，SiO2质量含量28.0％)、1.98g蔗糖(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)和3.72g P123(南京威尔化工有限公司，分子量：5650)加入到36ml水中，室温下搅拌4个小时，用浓度为10重量％的稀盐酸溶液调节pH值为6.0，然后搅拌6小时，停止搅拌，于60℃老化72小时，将所得混合物过滤、去离子水洗涤，于120℃下干燥，然后600℃焙烧6小时，得到双孔分布氧化硅，其性质见表1。
实施例4
以硅酸钠为硅源，蔗糖和聚氧乙烷～聚氧丙烷～聚氧乙烷(P123)混合物为模板剂合成双孔分布氧化硅。
将11.78g硅酸钠(Na2SiO3·9H2O，国药集团化学试剂有限公司，Na2O质量含量19.3～22.8％)、1.98g蔗糖(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)和3.72g P123(南京威尔化工有限公司，分子量：5650)加入到36ml水中，室温下搅拌3个小时，使用浓度10重量％的稀硫酸溶液调节pH值为9.0，再搅拌6小时，停止搅拌，于40℃老化96小时，过滤、洗涤，然后于100℃下干燥，再于600℃焙烧6小时，得到双孔分布的氧化硅，其性质见表1。
实施例5
以氧化硅含量为24.38wt％，pH值为9.7，氧化钠含量为0.33wt％的硅溶胶为硅源，以淀粉和十二烷基磺酸钠为模板剂。合成过程如下：
将9.86g硅溶胶、3.42g可溶性淀粉(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)和2.72g十二烷基磺酸钠(国药集团化学试剂有限公司，质量含量86.0％)加入到36ml水中，室温下搅拌1个小时，使用浓度10％的稀氨水溶液调节pH值为11.0，再搅拌3小时，停止搅拌，100℃老化36小时，将所得混合物进行过滤，用去离子水洗涤，然后于120℃下干燥，600℃焙烧6小时得到双孔分布氧化硅，所得氧化硅性质见表1。
实施例6
以正硅酸甲酯和硅酸钠混合物为硅源，以β～环糊精和聚乙二醇为模板剂。
将3.14g正硅酸甲酯(化学纯，上海常昊化工公司)和5.89g硅酸钠(Na2SiO3·9H2O，国药集团化学试剂有限公司，Na2O质量含量19.3～22.8％)、3.39gβ～环糊精(国药集团化学试剂有限公司，分析纯，分子量1135)和1.69g聚乙二醇(分子量6000，国药集团化学试剂有限公司)加入到36ml水中，室温下搅拌1个小时，用浓度为10重量％的氨水溶液调节pH值为11.0，然后搅拌3小时，停止搅拌，于100℃老化24小时，将所得混合物进行过滤、用去离子水洗涤，然后于120℃下干燥，再于600℃焙烧6小时，得到双孔分布氧化硅，其性质见表1。
实施例7
以正硅酸甲酯和硅酸钠混合物为硅源，以葡聚糖和吐温80为模板剂。
将3.14g正硅酸甲酯(上海常昊化工公司，化学纯)和5.89g硅酸钠(Na2SiO3·9H2O，国药集团化学试剂有限公司，Na2O质量含量19.3～22.8％)、3.39g葡聚糖2万(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)和1.69g吐温80(分子量6000，国药集团化学试剂有限公司)加入到36ml水中，室温下搅拌1个小时，用10重量％的氨水溶液调节pH值为11.0，然后搅拌3小时，停止搅拌，于100℃老化24小时，过滤、去离子水洗涤，然后于120℃下干燥，550℃焙烧9小时，得到双孔分布氧化硅，其性质见表1。
表1
  实施例   比表面积(m2/g)   孔容(cm3/g)   平均孔径(nm)   可几孔径*(nm)
  1   695.4   0.92   7.5   2.6，22.2
  2   584.5   0.89   7.3   2.5，20.9
  3   490.6   1.12   9.1   8.1，24.8
  4   473.7   1.05   9.0   7.9，23.4
  5   481.3   0.95   8.8   8.3，20.5
  6   450.8   1.19   9.3   8.5，22.6
  实施例   比表面积(m2/g)   孔容(cm3/g)   平均孔径(nm)   可几孔径*(nm)
  7   445.9   1.21   9.5   9.0，23.9
*可几孔径中，逗号前的为小孔的最可几孔径，逗号后的为大孔的最可几孔径。
由表1可见，本发明方法合成的氧化硅具有双孔分布。
对比例1
以正硅酸乙酯为硅源，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂合成氧化硅。
将8.59g正硅酸乙酯(国药集团化学试剂有限公司，SiO2质量含量28.0％)和1.47g CTAB(国药集团化学试剂有限公司，质量含量99.0％)加入到36ml水中，室温下搅拌3个小时，用浓度10重量％的盐酸溶液调节pH值为4.0，搅拌6小时，于40℃老化96小时，将所得混合物过滤、用去离子水洗涤，100℃下干燥，于600℃焙烧6小时，所得产物的性质见表2。
对比例2
以正硅酸乙酯(国药集团化学试剂有限公司，SiO2质量含量28.0％)为硅源，聚氧乙烷～聚氧丙烷～聚氧乙烷(P123)混合物为模板剂氧化硅。
将8.59g正硅酸乙酯(国药集团化学试剂有限公司，SiO2质量含量28.0％)和3.72g P123(南京威尔化工有限公司，分子量：5650)加入到36ml水中，室温下搅拌4个小时，使用浓度10重量％的稀盐酸溶液调节pH值为6.0，继续搅拌6小时，停止搅拌，60℃老化72小时，将所得混合物进行过滤和洗涤，然后于120℃下干燥，于600℃焙烧6小时。所得产物的性质见表2。
对比例3
以正硅酸乙酯为硅源，葡萄糖为模板剂合成氧化硅。
将8.59g正硅酸乙酯(国药集团化学试剂有限公司，SiO2质量含量28.0％)和1.98g葡萄糖(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)加入到36ml水中，室温下搅拌3个小时，用浓度10重量％的稀盐酸溶液调节pH值为4.0，再搅拌6小时，然后过滤、用去离子水洗涤，于100℃下干燥，于600℃焙烧6小时。所得产物的性质见表2。
对比例4
以硅酸钠为硅源，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂合成氧化硅。
将11.78g硅酸钠(Na2SiO3·9H2O，国药集团化学试剂有限公司，Na2O质量含量19.3～22.8％)和1.47g CTAB(国药集团化学试剂有限公司，质量含量99.0％)加入到36ml水中，室温下搅拌0.5个小时，使用浓度10重量％的稀氢氧化钠溶液调节pH值为12.0，再搅拌3小时，停止搅拌，于80℃老化48小时，然后过滤、用去离子水洗涤，于120℃下干燥，再于600℃焙烧3小时。所得产物的性质见表2。
对比例5
以硅酸钠为硅源，聚氧乙烷～聚氧丙烷～聚氧乙烷(P123)为模板剂合成氧化硅。
将11.78g硅酸钠(Na2SiO3·9H2O，国药集团化学试剂有限公司，Na2O质量含量19.3～22.8％)和3.72g P123(南京威尔化工有限公司，分子量：5650)加入到36ml水中，室温下搅拌3个小时，用浓度10重量％的稀硫酸溶液调节pH值为9.0，再搅拌6小时，停止搅拌，40℃老化96小时，然后过滤、用去离子水洗涤，然后于100℃下干燥，600℃焙烧6小时，得到产物。所得产物的性质见表2。
对比例6
以氧化硅含量为24.38wt％，pH值为9.7，氧化钠含量为0.33wt％的硅溶胶为硅源，以淀粉为模板剂。
将9.86g硅溶胶和3.42g可溶性淀粉(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)加入到36ml水中，室温下搅拌1个小时，用浓度10重量％的氨水溶液调节pH值为11.0，再搅拌3小时，停止搅拌，100℃老化36小时，然后过滤、用去离子水洗涤，然后于120℃下干燥，于600℃焙烧6小时，得到产物。所得产物的性质见表2。
表2
  对比例   比表面积(m2/g)   孔容(cm3/g)   平均孔径(nm)   可几孔径(nm)
  1   995.4   0.92   2.0   2.4
  2   884.5   0.89   7.2   6.4
  3   790.6   0.89   7.4   5.2
  4   973.7   1.05   2.2   2.5
  5   820.9   1.03   7.5   6.8
  6   676.3   0.92   7.3   5.5
由表2可见，对比例合成的氧化硅具有单孔分布。

Claims (10)

1.一种双孔分布氧化硅的合成方法，包括如下步骤：
(1)将硅源和模板剂加入到水中，搅拌；其中，所述模板剂为糖和表面活性剂的混合物，所述硅源选自能溶于水的硅酸盐、能水解的有机硅化合物和硅溶胶中的一种或几种；所述表面活性剂为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂中的一种的或几种；硅和水的摩尔比为1∶30～1∶200，硅与模板剂的摩尔比为1∶0.005～1∶2；模版剂中糖和离子表面活性剂的质量比为0.5∶1～2∶1；
(2)调节步骤(1)得到的混合物的pH值为4～12，搅拌0.5～6h，得到先驱体溶胶；
(3)将步骤(2)得到的先驱体溶胶于40～120℃老化0.5～4天；
(4)将步骤(3)得到的老化后的先驱体溶胶过滤和洗涤，然后干燥得到先驱体粉末；
(5)将步骤(4)得到的先驱体粉末焙烧，得到双孔氧化硅。
2.按照权利要求1所述的的方法，其特征在于，所述的糖为葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖、纤维素、淀粉、β～环糊精以及葡聚糖中的一种或几种；所述表面活性剂为脂肪胺盐、C12～C18烷基三甲基氯化铵、C12～C18烷基三甲基溴化铵以及C12～C18烷基二甲基苄基氯化铵、C12～C18烷基二甲基苄基溴化铵中的一种或几种，或者为脂肪醇聚氧乙烯醚、吐温、烷基酚聚氧乙烯醚以及聚乙二醇中的一种或几种，或者为羧酸盐、烷基磺酸盐和烷基苯磺酸盐中的一种或几种。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能溶于水的硅酸盐为水玻璃，所述能水解的有机硅化合物为正硅酸乙酯和/或正硅酸甲酯。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，硅与模板剂的摩尔比为1∶0.06～1∶0.2。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，硅与水的摩尔比为1∶50～1∶100。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中老化的温度为60～100℃，老化的时间为1～4天。
7.按照权利要求1的所述的方法，其特征在于，步骤(1)中搅拌的时间为0.5～4h。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)和/或步骤(2)中搅拌的时间为1～3小时。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中的焙烧温度为550～650℃，焙烧时间为3～9小时。
10.一种双孔分布氧化硅，其特征在于，所述双孔分布氧化硅由权利要求1～9任一项所述方法合成。
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