CN102992348A - 一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序复合介孔材料的方法 - Google Patents
一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序复合介孔材料的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序复合介孔材料的方法,步骤如下:(1)埃洛石的预处理:将埃洛石煅烧、碱处理进行热化;(2)将P123水溶液中稀盐酸,调节溶液pH小于2,然后加入预处理后的埃洛石,然后于35-45℃水浴锅中搅拌20~24小时;继而转移到反应釜中在90~100℃下晶化24~48h,抽滤、洗涤,烘干后得到Al-SBA-15复合介孔材料前驱体;(3)将所得前驱体在500~600℃下灼烧5~7小时,即得到Al-SBA-15有序复合介孔材料。本发明采用埃洛石这种既可提供硅源又可提供铝源且具有特殊管状结构的矿物材料可做为原料,成本低,原料丰富。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料领域,具体涉及一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序复合介孔材料的方法。
技术背景
1998年,赵东元课题组首次合成出SBA-15介孔材料。该新型材料具有孔径有序、比表面积高等优点,它的合成是近年来兴起的又一项重要化工技术,同时在它一定程度上弥补了常规介孔材料热稳定性差和水热稳定性差的缺陷,有望在催化、生物分离、分子组装、色谱载体等方面得到应用,引起了人们极大的兴趣,成为近年来的研究热点之一。然而,纯硅SBA-15介孔分子筛缺乏催化活性部位,必须在其骨架内引入Al、Ti、W、Mo等活性物种才能起到更好的催化作用,其中Al掺杂SBA-15复合介孔材料,既能保持SBA-15的固有结构,同时还有效地增加了体系的酸性部位,在烯烃氧化及催化分解亚硝胺等反应中呈现出良好的催化性能,引起不少学者的研究兴趣。
迄今为止,Al掺杂SBA-15介孔材料的制备方法有两大类:(1)后铝化合成法:李猛(《科技信息》2008(33),27-28)等以硝酸铝作为铝源,加入到无水乙醇,然后加入焙烧后的纯硅SBA-15介孔分子筛,在室温下搅拌24小时后抽滤并用无水乙醇洗涤,550℃下焙烧5小时,得到Al-SBA-15介孔分子筛;(2)一步合成法:张亮(《精细化工与催化》2009(04),62-65)等采用水热法以异丙醇铝为铝源,硅酸乙酯(TEOS)为硅源,以一定比例加入,得到不同铝含量的Al-SBA-15复合介孔分子筛。
目前的研究报道中均以正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丁酯、硅酸钠等作为硅源合成纯硅SBA-15,氯化铝 、异丙醇铝、硝酸铝等为铝源,掺杂到纯硅SBA-15而得到Al-SBA-15介孔复合分子筛,缺点是操作复杂,成本较高。而以矿物为原料合成Al-SBA-15有序复合介孔材料尚未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序复合介孔材料的方法, 原料成本低廉, 操作简单,所得复合介孔材料吸附性好。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为:
一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序复合介孔材料的方法,它包括如下步骤:
(1) 埃洛石的预处理:将埃洛石在550~700℃下煅烧3~6小时,对埃洛石进行热活化处理;将活化后的埃洛石与NaOH 溶液以固液比1:10~20 的比例混合均匀,在50-70℃下搅拌2-4小时,然后将温度调节到80-95℃继续搅拌2-4小时,抽滤、洗涤、烘干后得到预处理后的埃洛石;
(2)将P123水溶液中加入无机酸调节溶液pH小于2,加入5~5.5g 预处理后的埃洛石,然后于35~45℃水浴锅中搅拌20~24小时;继而转移到反应釜中在90~100℃下晶化24~48h,然后抽滤、洗涤,烘干后得到Al-SBA-15复合介孔材料前驱体;
(3) 将步骤(2)所得前驱体在500~600℃下煅烧5~7小时,完全除去模板剂,即得到Al-SBA-15有序复合介孔材料。
按上述方案,所述NaOH 溶液为2mol/L。
按上述方案,所述P123的水溶液是按如下方法制备得到的:在容器中量取模板剂P123
4~5g,加入30ml蒸馏水,磁力搅拌1h,至P123完全溶解至透明。
按上述方案,所述P123即聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物,分子式为PEO20PPO70PEO20。
按上述方案,所述无机酸为1.5~2mol/L的稀盐酸。
本发明的基本原理:
埃洛石是一种自然存在的1:1型层状硅酸盐矿物,由硅氧四面体层和铝氧八面体层垛堞而成,属于高岭石矿物族的一种。埃洛石主要以两种类型存在,一种是水合式(10Å),单位晶胞中有四个水分子,理想化学式是Al4[Si4O10](OH)8·4H2O,另一种类型是脱水式(7Å),理想化学式为Al4[Si4O10](OH)8。由于埃洛石难溶于盐酸中,所以需要需碱中做预处理,再以埃洛石预处理产物为原料合成Al-SBA-15介孔复合材料。
本发明以埃洛石为原料、以非离子表面活性剂P123为模板剂制备Al-SBA-15有序复合介孔材料,其合成过程符合双层氢键作用机理(S0H+)X-I+,其中S0为中性表面活性剂P123,全称为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物, 其分子式为PEO20PPO70PEO20,嵌段共聚物的PEO基在强酸性溶液中被质子化形成S0H+,I+为埃洛石中被质子化的硅酸盐和铝酸盐(Si-OH2 +,
Al-OH2 +),X- 是盐酸中提供桥键作用的卤离子,在酸性介质中,(S0H+)X-I+
之间的相互作用力是库伦力,更确切的说是双层氢键作用。
在以埃洛石为原料合成Al-SBA-15有序复合介孔材料的过程中,分为两个步骤:(一)六方结构的胶束的形成;(二)胶束和无机离子的相互作用。作为模板剂的三嵌段共聚物P123(PEO20PPO70PEO20)首先溶解在水溶液中形成棒状胶束,当溶液中的模板剂溶度增大到一定程度时棒状胶束聚集形成六方结构的胶束;随着无机离子的水解和移动,逐渐导致短程六边形胶粒的堆积和骨架的形成。但这样得到的只是Al-SBA-15复合介孔材料前驱体,需要进行煅烧以除去其中的模板剂。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明采用埃洛石这种既可提供硅源又可提供铝源且具有特殊管状结构的矿物材料作为合成Al-SBA-15有序复合介孔材料的原料,以这种廉价易得的矿物材料作为合成原料,不仅可以拓宽埃洛石的应用领域,也可大大降低复合介孔Al-SBA-15的成本;
(2)本发明在Al-SBA-15的合成过程埃洛石中被质子化的硅酸盐和铝酸盐(Si-OH2 +,
Al-OH2 +),在卤离子(X-)的桥键作用下通过双键作用与模板剂相结合, 直接在SBA-15介孔结构中引入Al原子,具有操作简单、Al原子容易引入介孔孔道的优点;
(3)通过Al-SBA-15复合介孔材料的氮气吸附脱附等温线和孔径分布图可以看出本发明所述Al-SBA-15复合介孔材料,呈双峰孔径分布,孔径分布集中在2.4 nm和3.5nm可提供更强的吸附性。
附图说明
图1是埃洛石原矿的XRD图谱。
图2是本发明实施例1所得到的Al-SBA-15复合介孔材料的XRD图谱。
图3是本发明实施例1所得到的Al-SBA-15复合介孔材料的超高分辨扫描电镜照片。
图4是本发明实施例1所得到的Al-SBA-15复合介孔材料的透射电镜照片。
图5 是本发明实施例1所得到的复合介孔材料的氮气吸附脱附等温线和孔径分布图。
图6是本发明实施例2所得到的Al-SBA-15复合介孔材料的XRD图谱。
图7是本发明实施例3所得到的Al-SBA-15复合介孔材料的XRD图谱。
图8是本发明实施例4所得到的Al-SBA-15复合介孔材料的XRD图谱。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合实例进一步阐明本发明的内容,但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
下述实施例所用埃洛石取自云南临沧,所述埃洛石的化学成份及质量百分含量为:SiO2=46.09%,Al2O3=35.96%, TFe2O3=1.05%,TiO2=0.11%。自然白度为64%,埃洛石粉体的XRD图谱如图1所示。可以看出图谱中几乎未见其他杂质峰,埃洛石的峰值与JCPDS 卡片中
03-0184完全吻合。
实施例
1
:
一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序复合介孔材料的方法,它包括如下步骤:
(1) 埃洛石的预处理:将埃洛石在550℃下煅烧6小时,对埃洛石进行热活化处理;将活化后的埃洛石与 2mol/L NaOH 溶液以固液比1:10 的比例混合均匀,在70℃下搅拌2小时,然后将温度调节到95℃继续搅拌2小时,抽滤、洗涤、烘干后得到预处理后的埃洛石;
(2) 在烧杯中量取模板剂P123 4g,加入30ml蒸馏水,磁力搅拌1h,至P123完全溶解至透明,然后转移到锥形瓶中,加入120ml 2mol/L稀盐酸使溶液pH小于2,加入5g 埃洛石预处理产物,放入40℃水浴锅中机械搅拌24h;继而转移到反应釜中在90℃下晶化24h,然后抽滤、洗涤,于烘箱中90℃烘干后得到Al-SBA-15复合介孔材料前驱体;
(3) 将步骤(2)所得前驱体在500℃下煅烧7小时以除去模板剂,即得到Al-SBA-15有序复合介孔材料。
本实施例所得Al-SBA-15有序复合介孔材料的XRD图谱如图2所示,可以看出,图谱上的三个峰值100.3305,58.1984,50.4562分别对应SBA-15的(100),(110)和(200)三个晶面,由于Al的掺杂,使得其d值略有增大。
超高分辨扫描电镜照片如图3所示,从图上可以看出合成的复合介孔材料Al-SBA-15在同一方向上具有规则的六方孔道结构,说明其具有二维六方介孔结构和一维孔道通道,其空间群为P6mm。
透射电镜照片如图4所示,从图上可以看出其晶格在同一方向上排列整齐,说明其在某一方向上呈规则排列,与图3所得到的信息相吻合,但晶格间距略有不同,说明其孔径略有不同,在一定范围内变化。
氮气吸附脱附等温线和孔径分布图如图5所示,在77K温度条件下测试的氮气的吸附-脱附曲线显示,在相对压力为0.6–0.95时,其有急剧的变化,为典型的第IV种吸附-脱附曲线,即介孔材料吸附-脱附曲线,说明合成的Al-SBA-15确实为材料。从孔径分布图上可以看出,合成的Al-SBA-15孔径主要分布在2-10nm,其中主要集中在2.4nm和3.5nm。
实施例
2:
一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序复合介孔材料的方法,它包括如下步骤:
(1) 埃洛石的预处理:将埃洛石在700℃下煅烧3小时,对埃洛石进行热活化处理;将活化后的埃洛石与 2mol/L NaOH 溶液以固液比1: 20 的比例混合均匀,在50℃下搅拌4小时,然后将温度调节到80℃继续搅拌4小时,抽滤、洗涤、烘干后得到预处理后的埃洛石;
(2) 在烧杯中量取模板剂P123 4.3g,加入30ml蒸馏水,磁力搅拌1h,至P123完全溶解至透明,然后转移到锥形瓶中,加入120ml 2mol/L稀盐酸使溶液pH小于2,加入5.3g 埃洛石预处理产物,放入40℃水浴锅中机械搅拌24h;继而转移到反应釜中在100℃下晶化24h,然后抽滤、洗涤,于烘箱中90℃烘干后得到Al-SBA-15复合介孔材料前驱体;
(3) 将步骤(2)所得前驱体在550℃下煅烧5.5小时以除去模板剂,即得到Al-SBA-15有序复合介孔材料。
本实施例所得Al-SBA-15有序复合介孔材料的XRD图谱如图6所示,可以看出,图谱上的三个峰值100.4513,58.3241,50.8573分别对应SBA-15的(100)、(110)和(200)三个晶面,观察不到其他杂质峰,说明合成的材料为纯的Al-SBA-15。
实施例
3:
一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序复合介孔材料的方法,它包括如下步骤:
(1) 埃洛石的预处理:将埃洛石在600℃下煅烧5小时,对埃洛石进行热活化处理;将活化后的埃洛石与 2mol/L NaOH 溶液以固液比1:15 的比例混合均匀,在60℃下搅拌3小时,然后将温度调节到90℃继续搅拌3小时,抽滤、洗涤、烘干后得到预处理后的埃洛石;
(2) 在烧杯中量取模板剂P123 4.5g,加入30ml蒸馏水,磁力搅拌1h,至P123完全溶解至透明,然后转移到锥形瓶中,加入150ml 1.5mol/L稀盐酸使溶液pH小于2,加入5.3g 埃洛石预处理产物,放入45℃水浴锅中机械搅拌20h;继而转移到反应釜中在95℃下晶化24h,然后抽滤、洗涤,于烘箱中90℃烘干后得到Al-SBA-15复合介孔材料前驱体;
(3) 将步骤(2)所得前驱体在550℃下煅烧6小时以除去模板剂,即得到Al-SBA-15有序复合介孔材料。
本实施例所得Al-SBA-15有序复合介孔材料的XRD图谱如图7所示,可以看出,图谱上的三个峰值100.7513,58.7415,50.6419分别对应SBA-15的(100), (110),
and (200)三个晶面,观察不到其他杂质峰,说明合成的材料为纯的Al-SBA-15。
实施例
4:
一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序复合介孔材料的方法,它包括如下步骤:
(1) 埃洛石的预处理:将埃洛石在600℃下煅烧5小时,对埃洛石进行热活化处理;将活化后的埃洛石与 2mol/L NaOH 溶液以固液比1:15 的比例混合均匀,在60℃下搅拌3小时,然后将温度调节到90℃继续搅拌3小时,抽滤、洗涤、烘干后得到预处理后的埃洛石;
(2) 在烧杯中量取模板剂P123 5g,加入30ml蒸馏水,磁力搅拌1h,至P123完全溶解至透明,然后转移到锥形瓶中,加入150ml 1.5mol/L稀盐酸使溶液pH小于2,加入5.5g 预处理后的埃洛石,放入35℃水浴锅中机械搅拌20h;继而转移到反应釜中在95℃下晶化48h,然后抽滤、洗涤,于烘箱中90℃烘干后得到Al-SBA-15复合介孔材料前驱体;
(3) 将步骤(2)所得前驱体在600℃下煅烧5小时以除去模板剂,即得到Al-SBA-15有序复合介孔材料。
本实施例所得Al-SBA-15有序复合介孔材料的XRD图谱如图8所示,可以看出,图谱上的三个峰值100.3845,58.1984,50.4562分别对应SBA-15的(100), (110),
and (200)三个晶面,观察不到其他杂质峰,说明合成的材料为纯的Al-SBA-15。
本发明所列举的各原料都能实现本发明,各原料的上下限取值以及其区间值都能实现本发明,在此不一一列举实施例。
Claims (5)
1.一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序复合介孔材料的方法,其特征在于它包括以下步骤:
(1) 埃洛石的预处理:将埃洛石在550~700℃下煅烧3~6小时,对埃洛石进行热活化处理;将活化后的埃洛石与NaOH溶液以质量固液比1:10~20
的比例混合均匀,在50-70℃下搅拌2-4小时,然后将温度调节到80-95℃继续搅拌2-4小时,抽滤、洗涤、烘干后得到预处理后的埃洛石;
(2)将P123水溶液中加入无机酸调节溶液pH小于2,加入5~5.5g 预处理后的埃洛石,然后于35-45℃水浴锅中搅拌20~24小时;继而转移到反应釜中在90~100℃下晶化24~48h,然后抽滤、洗涤,烘干后得到Al-SBA-15复合介孔材料前驱体;
(3) 将步骤(2)所得前驱体在500~600℃下灼烧5~7小时,完全除去模板剂,即得到Al-SBA-15有序复合介孔材料。
2.根据权利要求1所述的一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15复合介孔材料的方法,其特征在于所述NaOH 溶液为2mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15复合介孔材料的方法,其特征在于所述P123的水溶液是按如下方法制备得到的:在容器中量取模板剂P123 4~5g,加入30ml蒸馏水,磁力搅拌1h,至P123完全溶解至透明。
4.根据权利要求1所述的一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序介孔材料的方法,其特征在于所述P123分子式为PEO20PPO70PEO20,相对分子质量为5800。
5.根据权利要求1所述的一种以埃洛石为原料制备Al-SBA-15有序介孔材料的方法,其特征在于所述无机酸为1.5~2mol/L的稀盐酸。
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