CN103232043A - 晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体及其制备方法，本复合粉体具有二维六方介孔结构，介孔孔壁是由晶态硅酸锌和非晶氧化硅组成。制备方法是首先制备介孔氧化硅，然后将锌的无机盐溶解在乙醇中，配制成锌盐溶液。根据所制备粉体的成分，将介孔氧化硅加入到锌盐溶液中，其中介孔氧化硅和锌盐的摩尔比为2～25。经充分搅拌使介孔氧化硅均匀分散在锌盐溶液中，同时在室温下继续搅拌，将乙醇挥发获得粉末，再经真空干燥、煅烧即获得晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体。本制备方法操作简便，所制备的介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体有序度高、孔径和比表面积大、结晶性高、稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及无机纳米材料，特别指一种具有有序介孔结构的晶化硅酸锌/氧化硅复合粉体及其制备方法。
背景技术
介孔材料是一种新型的自组装材料，属于纳米材料研究的新前沿。介孔材料具有高度有序的孔道结构、均一的孔径分布、高的比表面和孔隙率、可调的孔道类型等优异特性。这为物质的吸附、传质、输运以及反应等方面提供了有利条件，在能源与环境、生物技术、吸附分离、催化、传感器以及光、电磁等众多领域有潜在应用前景，受到无机材料研究者的广泛关注。
目前，介孔材料的研究重点已由开发新结构过渡到实际应用。相对于传统介孔氧化硅材料而言，非硅基介孔材料如金属氧化物、复合氧化物、硫化物等具有特殊的电子结构和组成可调控性，无疑为介孔材料的实际应用提供了前提。非硅基介孔材料的制备方法主要有软模板辅助法和硬模板反相复制法。对软模板法来讲，介孔结构是通过模板剂和无机前驱物之间的协同自组装形成的。由于很难控制非硅基前驱物的水解速度，难以形成易于自组装的聚合体，不利于介观结构的形成。此外，在煅烧过程中，孔壁发生聚合、晶化、晶粒长大以及相转变等过程，这会导致孔壁的坍塌，最终得到的是致密相而不是介观结构。此外，利用软模板辅助法制备的非硅基介孔，其孔壁大多是无定型或者半晶化状态，这极大地限制其应用。对于硬模板反相复制法来讲，是通过纳米复制技术获得反型介孔结构。该技术的核心需要在硬模板的纳米孔道中引入非硅基无机前驱物，然后通过热处理和消除硬模板后获得反相介观结构。然而，硬模板的纳米孔道不能有效被无机前驱物溶液填充，大部分溶液吸附到孔道的外表面，后期热处理会在外表面形成大颗粒，不易形成介观结构。此外，该技术中实验效率很低，而且重复性很差。因此，研究一种有效的方法来制备晶化介孔非硅基介孔材料具有重要的意义
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体及其制备方法，本制备方法可克服现有技术不足，其制备过程简便易行、高效经济，制备出的晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体具有高度介观有序性、大孔径和高比表面积、高稳定性。
本发明要解决的技术问题由如下方案来实现：本晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体具有二维六方介孔结构，孔壁是由晶态硅酸锌和非晶氧化硅组成，其中氧化硅和硅酸锌的摩尔比为4～50可调，所述介孔孔径为5～7nm，比表面积为550～750m2/g，孔体积为0.825～1.12cm3/g。
晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体的制备方法过程如下：将六水合硝酸锌溶解在乙醇中，配制成锌盐溶液，根据所制备晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体中硅酸锌的含量，将介孔氧化硅加入到锌盐溶液中，其中介孔氧化硅和锌盐的摩尔比为2～25，经充分搅拌使介孔氧化硅均匀分散在锌盐溶液中，同时在室温下继续搅拌，将乙醇挥发获得粉末，再将粉末在40～60℃下真空干燥6～10小时，然后在750-850℃下煅烧2～6小时，升温速率是1℃/min，即获得晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体。
所述介孔氧化硅是采用溶胶-凝胶和水热法制备，将三嵌段共聚物P123和盐酸加入到去离子水中，在35～40℃下充分搅拌2-6小时，使三嵌段共聚物P123完全溶解得到混合溶液，然后将正硅酸乙酯加入到混合溶液中，其中反应物的摩尔比：三嵌段共聚物P123/正硅酸乙酯/盐酸/水为1∶59∶348∶11880，在35～40℃下继续搅拌24小时获得白色悬浮液，然后将白色悬浮液转移到反应釜中，在80-140℃下水热处理24小时后，经过滤、洗涤、室温干燥得到白色粉末，将白色粉末在500-650℃下煅烧4-8小时，即得到介孔氧化硅。
本发明具有以下优点：
1、本发明以锌盐和介孔氧化硅为原料制备晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体，反应原料简单，成本低廉。
2、本发明采用锌盐的浓溶液，可使锌盐尽可能多的进入到介孔氧化硅孔道内，同时使锌盐和介孔氧化硅充分混合，便于固相反应更加均匀充分，所得复合粉体的物相分布均匀。
3、本发明的最大优点是操作简单，只需用一步煅烧法使锌盐在孔道内分解为氧化物，然后使高活性的氧化物与部分介孔氧化硅发生固相反应，实验煅烧温度较低、能耗小，适合于大批量生产。
4、本发明通过控制锌盐的质量，可调控氧化硅和硅酸锌的摩尔比，并能有效控制晶化介孔复合粉体的成分。
5、本发明通过反应后孔壁中剩余氧化硅的辅助作用，主要是对孔壁中纳米晶硅酸锌起钉扎和链接作用，可有效抑制硅酸锌在煅烧过程中由于发生晶化所引起的孔道收缩和介孔坍塌，并能提高介孔硅酸锌的稳定性。
6、本发明所得复合粉体具有高度介观有序性、孔壁中硅酸锌结晶性高、比表面积大等特点，这对于挖掘介孔硅酸锌的性能具有重要意义。
附图说明
图1为晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体的小角X射线衍射图谱。图2为晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体的广角X射线衍射图谱。
图3为晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体的透射电镜显微照片。
图4为晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体的氮气吸脱附图谱。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的方法做进一步说明：
实施例1
介孔氧化硅的制备
配制由15mL去离子水和60mL2mol/L的盐酸组成的混合液，将2g三嵌段共聚物P123加入到上述混合液中，并在37℃下充分搅拌4小时直至P123完全溶解。然后将4.25g正硅酸乙酯加入到上述溶液中，在37℃下继续搅拌24小时后，将该反应物转移到体积为100mL的反应釜中，并在100℃下水热处理24小时。经过滤、去离子水洗涤4次，在室温下干燥得到白色粉末。将该粉末在550℃下煅烧6小时，升温速度为1℃/min，即可得到介孔氧化硅粉体。
称量0.189g六水合硝酸锌于25mL的烧杯中，然后加入4mL乙醇，充分搅拌溶解得到硝酸锌乙醇溶液。在搅拌下将1g所制备的介孔氧化硅粉体加入到硝酸锌溶液中，在室温下搅拌挥发乙醇溶剂获得白色粉末，再将粉末在50℃下真空干燥8小时，然后在800℃煅烧4小时，升温速率是1℃/min，即获得晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体，此粉体中氧化硅和硅酸锌的摩尔比为50。图1为所制备晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体的小角X射线衍射图谱。
实施例2
介孔氧化硅的制备与实施例1相同。
称量0.833g六水合硝酸锌于25mL的烧杯中，然后加入6mL乙醇，充分搅拌溶解得到硝酸锌乙醇溶液。在搅拌下将1g所制备的介孔氧化硅粉体加入到硝酸锌溶液中，在室温下搅拌挥发乙醇溶剂获得白色粉末，再将粉末在50℃下真空干燥8小时，然后在800℃煅烧4小时，升温速率是1℃/min，即获得晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体，此粉体中氧化硅和硅酸锌的摩尔比为11。图2为所制备晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体的广角X射线衍射图谱。
实施例3
介孔氧化硅的制备与实施例1相同。
称量1.963g六水合硝酸锌于25mL的烧杯中，然后加入8mL乙醇，充分搅拌溶解得到硝酸锌乙醇溶液。在搅拌下将1g所制备的介孔氧化硅粉体加入到硝酸锌溶液中，在室温下搅拌挥发乙醇溶剂获得白色粉末，再将粉末在50℃下真空干燥8小时，然后在800℃煅烧4小时，升温速率是1℃/min，即获得晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体，此粉体中氧化硅和硅酸锌的摩尔比为4。图3为所制备晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体的透射电镜显微照片。图4所制备晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体的氮气吸脱附图谱。
Claims (3)
1.晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体，其特征在于：所述晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体具有二维六方介孔结构，孔壁是由晶态硅酸锌和非晶氧化硅组成，其中氧化硅和硅酸锌的摩尔比为4～50可调，所述介孔孔径为5～7nm，比表面积为550～750m2/g，孔体积为0.825～1.12cm3/g。
2.晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体的制备方法，其特征在于制备过程如下：将六水合硝酸锌溶解在乙醇中，配制成锌盐溶液，根据所制备晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体中硅酸锌的含量，将介孔氧化硅加入到锌盐溶液中，其中介孔氧化硅和锌盐的摩尔比为2～25，经充分搅拌使介孔氧化硅均匀分散在锌盐溶液中，同时在室温下继续搅拌，将乙醇挥发获得粉末，再将粉末在40～60℃下真空干燥6～10小时，然后在750-850℃下煅烧2～6小时，升温速率是1℃/min，即获得晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体。
3.根据权利要求2所述晶化介孔硅酸锌/氧化硅复合粉体的制备方法，其特征在于：所述介孔氧化硅是采用溶胶-凝胶和水热法制备，将三嵌段共聚物P123和盐酸加入到去离子水中，在35～40℃下充分搅拌2-6小时，使三嵌段共聚物P123完全溶解得到混合溶液，然后将正硅酸乙酯加入到混合溶液中，其中反应物的摩尔比：三嵌段共聚物P123/正硅酸乙酯/盐酸/水为1∶59∶348∶11880，在35～40℃下继续搅拌24小时获得白色悬浮液，然后将白色悬浮液转移到反应釜中，在80-140℃下水热处理24小时后，经过滤、洗涤、室温干燥得到白色粉末，将白色粉末在500-650℃下煅烧4-8小时，即得到介孔氧化硅。
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