CN106829993B - 一种通过紫外光辐射辅助绿色合成sba-15介孔分子筛的方法 - Google Patents

一种通过紫外光辐射辅助绿色合成sba-15介孔分子筛的方法 Download PDF

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Abstract

一种通过紫外光辅射辅助绿色合成SBA‑15介孔分子筛的方法，属于介孔分子筛合成技术领域。其是将正硅酸乙酯水溶液在功率密度10～30w/m2的紫外光辐射下进行水解，之后与有机模板剂P123(聚环氧乙烷‑聚环氧丙烷‑聚环氧乙烷)水溶液混匀后在功率密度10～30w/m2的紫外光辐射下初步自组装，紫外光可以激发体系中产生羟基自由基，引发自由基反应，从而可以促进有机模板剂与无机硅源之间的自组装过程，实现中性条件下制备SBA‑15介孔分子筛材料。本发明改变了长久以来必须在酸碱条件下合成介孔材料的现状，极大的减少了因为酸碱带来的环境及水污染问题，为未来工业化生产SBA‑15介孔分子筛探索出成本低，高效，绿色安全的合成路线及产品，具有广阔的工业应用前景。

Description

一种通过紫外光辐射辅助绿色合成SBA-15介孔分子筛的方法
技术领域
本发明属于SBA-15介孔分子筛合成技术领域，具体涉及一种通过紫外光辅射辅助无需外加酸碱的中性条件下绿色合成SBA-15介孔分子筛的方法。
背景技术
自从美国加州大学的Stucky教授于1998年将SBA-15介孔分子筛合成出来之后，这种六方结构(P6mm)的介孔硅材料就以其高的比表面积及良好的水热稳定性广泛应用于工业生产中。然而传统的SBA-15合成方法需要在无机强酸性条件下合成，这是由于SiO2在水溶液的等电点是2.0，当溶液的pH值高于2.0时，硅主要是以阴离子形式存在，低于2.0时，硅物种主要以阳离子形式存在，酸性条件下SBA-15的合成原理是S0H+X-I0(S0为非离子型模板剂，H+X-为HCl，I0为等电点下的硅物种)，一般而言需要在pH值为2.0时制备SBA-15，因此无机强酸往往是合成SBA-15的主要原料。
90年代初期，科学工作者提出了“绿色化学”这一概念，旨在化学品生产过程中能够减少甚至消除对环境的负面影响、减少废物的排放、提高效率。由于SBA-15合成过程中的无机强酸对反应设备具有一定的腐蚀性，并且对环境会造成一定的危害，因此科研工作者对无机强酸的替代展开了研究。台湾的Cheng等人利用NaCl与Zr源，在不加无机强酸的情况下利用盐效应及Zr源自身产生的酸度合成出了Zr-SBA-15，该过程由于仍需Zr源产生酸根离子，并且得到的介孔材料金属掺杂量较低，因而对于工业生产仍会产生大量带有有害离子的酸性工业废水。因而如何开发一种通过改变合成介质绿色合成SBA-15的方法成为亟待解决的问题
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服介孔分子筛合成过程中酸碱介质所带来的环境污染的缺点以合成SBA-15为例，提供一种设计合理、工艺可行、操作简便的紫外光辐射辅助无需外加酸碱中性条件下绿色合成SBA-15介孔分子筛的方法。
本发明为解决上述技术问题所述的一种通过紫外光辅射辅助绿色合成SBA-15介孔分子筛的方法，其是将正硅酸乙酯水溶液在功率密度10～30w/m2的紫外光辐射下进行水解，之后与有机模板剂P123(聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷，EO20PO70EO20，Ma＝5800)水溶液混匀后在功率密度10～30w/m2的紫外光辐射下初步自组装，紫外光可以激发体系中产生羟基自由基，引发自由基反应，从而可以促进有机模板剂与无机硅源之间的自组装过程，实现无需外加酸碱的中性条件下制备SBA-15介孔分子筛材料。
本发明所述的一种通过紫外光辅射辅助绿色合成SBA-15介孔分子筛的方法，其步骤如下：
(1)将正硅酸乙酯和水按一定比例混合后在功率密度10～30w/m2的紫外光辐射下，于25～30℃下搅拌4～6小时进行水解，得到溶液A；
(2)将P123和水按一定比例混合后搅拌4～6小时，得到溶液B；
(3)将溶液B缓慢(滴加速度25～35mL/min)加入溶液A中，得到SBA-15介孔分子筛初始溶胶体系，再在功率密度10～30w/m2的紫外光辐射下，于30～50℃下搅拌20～30小时；
(4)向步骤(3)得到的反应溶液中加一定量的水溶性无机盐，目的是促进有机物种与无机物种之间的电荷匹配；
(5)将步骤(4)得到的反应溶液在90～110℃下晶化24～72小时，然后将晶化反应产物冷却至25～30℃后抽滤(无需用去离子水清洗)，再将抽滤产物在50～80℃空气气氛中干燥，得到SBA-15介孔分子筛原粉，最后在500～600℃空气气氛中焙烧5～6小时，即得到SBA-15介孔分子筛。
所述正硅酸乙酯与水混合的质量比为TEOS：H2O＝1：3～10；由于有机模板剂P123为三嵌段共聚物，因而其与水的质量比为P123：H2O＝1：30～42.5；各反应总的质量比为TEOS：P123：水溶性无机盐(NaCl、KCl、Na2SO4等)：H2O＝40：20：1～10：750～1000。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
紫外光作为一种常见的光化学媒介，由于其简单易行常常被用于现代工业生产过程中，比如光刻蚀、光固化、光老化等等，并且紫外光可以加速正硅酸乙酯的水解聚合。Arlon J.Hunt研究了紫外光照下TEOS的凝胶过程，结果发现在紫外光照下，TEOS凝胶时间缩短，水解聚合速度加快，并且光照更有利于硅溶胶形成大的簇或者聚集体，从而形成网络凝胶。因此我们将紫外光引入SBA-15介孔分子筛的合成过程中，势必会在无需外加酸的条件下加速硅源TEOS的水解聚合。因而改变了长久以来必须在酸碱条件下合成介孔材料的现状，极大的减少了因为酸碱带来的环境及水污染问题，为未来工业化生产SBA-15介孔分子筛探索出成本低，高效，绿色安全的合成路线及产品，具有广阔的工业应用前景。
附图说明
图1：本发明实施例1制备的SBA-15介孔分子筛的XRD谱图；
图2：本发明实施例1制备的SBA-15介孔分子筛的吸附谱图；
图3：本发明实施例1制备的SBA-15介孔分子筛的透射电镜照片；
图4：本发明实施例1制备的SBA-15介孔分子筛的扫描电镜照片；
图5：本发明实施例2制备的SBA-15介孔分子筛的XRD谱图；
图6：本发明实施例3制备的SBA-15介孔分子筛的XRD谱图；
图7：本发明实施例4制备的SBA-15介孔分子筛的XRD谱图；
图8：本发明对比例1制备的SBA-15介孔分子筛的XRD谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
本实施例给出了紫外光辐射下绿色合成SBA-15介孔分子筛合成的制备方法：
取4g正硅酸乙酯与15g去离子水共同混合加入石英器皿中，调节紫外光与石英容器之间的距离，使得紫外光密度为10w/m2辐射到混合物上，于25℃下用搅拌机以300转/分钟搅拌6小时，使其变为澄清溶液A，将2g P123和85g去离子水混合加入烧杯中，用搅拌机以300转/分钟搅拌6小时，使其变为澄清溶液B，将溶液B以25mL/min的速度滴加到溶液A中，得到初始溶胶，初始溶胶的成分质量配比为TEOS：P123：H2O＝2：1：50；再在功率密度10w/m2的紫外光辐射下，于40℃、300转/分钟持续搅拌24小时，然后将其转移到反应釜中，加入0.1gNaCl，使得反应釜中各反应物总的质量比为TEOS：P123：NaCl：H2O＝40：20：1：1000，在90℃下晶化72小时，晶化反应产物冷却至25℃后抽滤，在60℃空气中干燥，得到SBA-15介孔分子筛原粉，再在500℃空气中焙烧6小时，即得到SBA-15介孔分子筛，产物质量称重为1.013g。
图1为本实施例紫外光辐射绿色制备SBA-15介孔分子筛的XRD表征结果，可以看到产品为典型的有序二维介孔结构，并且具有较好的结晶度。
图2为本实施例紫外光辐射绿色制备SBA-15介孔分子筛的吸附谱图，从结果可以看到产品具有介孔材料特有的滞后环，并且介孔孔径为7nm左右。
图3为本实施例紫外光辐射绿色制备SBA-15介孔分子筛的透射电镜照片，从照片上可以看到产品具有二维介孔材料特征的有序结构。
图4为本实施例紫外光辐射绿色制备SBA-15介孔分子筛的扫描电镜照片，从照片可以看到产品为颗粒状结构。
实施例2
本实施例给出了紫外光辐射下增加NaCl加入量的绿色合成SBA-15介孔分子筛合成的制备方法：
取4g正硅酸乙酯与15g去离子水共同混合加入石英器皿中，调节紫外光与石英容器之间的距离，使得紫外光密度为30w/m2辐射到混合物上，于30℃下用搅拌机以300转/分钟搅拌4小时，使其变为澄清溶液A；将2g P123和85g去离子水混合加入烧杯中，用搅拌机以300转/分钟搅拌6小时，使其变为澄清溶液B，将溶液B以35mL/min滴加到溶液A中，得到初始溶胶，初始溶胶的成分质量配比TEOS：P123：H2O＝2：1：50，再在功率密度30w/m2的紫外光辐射下，于30℃、300转/分钟持续搅拌20小时，将其转移到反应釜中，加入0.5g NaCl，使得反应釜中各反应物总的质量比为TEOS：P123：NaCl：H2O＝40：20：5：1000，110℃晶化24小时，晶化反应产物冷却至30℃后抽滤，在60℃空气中干燥，550℃空气中焙烧5.5小时，即得到SBA-15介孔分子筛，产物质量称重为1.003g。
图5为本实施例紫外光辐射绿色制备SBA-15介孔分子筛的XRD表征结果，可以看到产品为典型的有序二维介孔结构，并且具有较好的结晶度。
实施例3
本实施例给出了紫外光辐射下增加NaCl加入量的绿色合成SBA-15介孔分子筛合成的制备方法：
取4g正硅酸乙酯与15g去离子水共同混合加入石英器皿中，调节紫外光与石英容器之间的距离，使得紫外光密度为10w/m2辐射到混合物上，于25℃下用搅拌机以300转/分钟搅拌6小时，使其变为澄清溶液A，将2g P123和85g去离子水混合加入烧杯中，用搅拌机以300转/分钟搅拌6小时，使其变为澄清溶液B，将溶液B以30mL/min滴加到溶液A中，得到初始溶胶，初始溶胶的成分质量配比TEOS：P123：H2O＝2：1：50；再在功率密度10w/m2的紫外光辐射下，于50℃、300转/分钟持续搅拌20小时，将其转移到反应釜中，加入1g NaCl，使得反应釜中各反应物总的质量比为TEOS：P123：NaCl：H2O＝40：20：10：1000，100℃晶化60小时，晶化反应产物冷却至25℃后抽滤，在80℃空气中干燥，550℃空气中焙烧5.5小时，即得到SBA-15介孔分子筛，产物质量称重为1.006g。
图6为本实施例紫外光辐射绿色制备SBA-15介孔分子筛的XRD表征结果，可以看到产品为具有(100)晶面的SBA-15的特征峰，但是无(110)(200)特征峰，因此介孔有序度降低。
实施例4
本实施例给出了紫外光辐射下减少水量的绿色合成SBA-15介孔分子筛合成的制备方法：
取4g正硅酸乙酯与15g去离子水共同混合加入石英器皿中，调节紫外光与石英容器之间的距离，使得紫外光密度为10w/m2辐射到混合物上，于25℃下用搅拌机以300转/分钟搅拌6小时，使其变为澄清溶液A，将2g P123和60g去离子水混合加入烧杯中，用搅拌机以300转/分钟搅拌6小时，使其变为澄清溶液B，将溶液B以30mL/min滴加到A溶液中，得到初始溶胶，初始溶胶的成分质量配比TEOS：P123：H2O＝2：1：37.5，再在功率密度10w/m2的紫外光辐射下，于30℃、300转/分钟持续搅拌50小时，将其转移到反应釜中，加入0.1g NaCl，使得反应釜中各反应物总的质量比为TEOS：P123：NaCl：H2O＝40：20：1：750，100℃晶化72小时，晶化反应产物冷却至25℃后后抽滤，在50℃空气中干燥，再在550℃空气中焙烧5.5小时，即得到SBA-15介孔分子筛，产物质量称重为0.903g。
图7为本实施例紫外光辐射绿色制备SBA-15介孔分子筛的XRD表征结果，可以看到产品为典型的有序二维介孔结构，并且具有较好的结晶度。
对比例1
本实施例给出了无紫外光辐射下合成SBA-15介孔分子筛的制备方法：
取4g正硅酸乙酯与15g去离子水共同混合加入石英器皿中，于25℃下用搅拌机以300转/分钟搅拌6小时，得到分层溶液A，将2g P123和85g去离子水混合加入烧杯中，用搅拌机以300转/分钟搅拌6小时，使其变为澄清溶液B，将B溶液以25mL/min滴加到A溶液中，得到分层的初始溶胶，初始溶胶的成分质量配比TEOS：P123：H2O＝2：1：50，于40℃、300转/分钟持续搅拌24小时，将其转移到反应釜中，加入0.1g NaCl，使得反应釜中各反应物总的质量比为TEOS：P123：NaCl：H2O＝40：20：1：1000，100℃晶化72小时，晶化反应产物冷却至25℃后抽滤，在60℃空气中干燥，500℃空气中焙烧6小时，即得到产物，产物质量称重为0.412g。
图8为本对比例无紫外光辐射制备SBA-15介孔分子筛的XRD表征结果，可以看到产品为典型的无序结构，说明无紫外光辅助照射，产物为无序材料，并非SBA-15介孔分子筛。
最后，需要注意的是，以上举例的仅是本发明的具体实施例。显然本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形及应用，特别是不仅限于本发明所举盐类型，其他经典无机盐如硫酸钠、硝酸钠等，本发明在紫外光辅助下都可在无外加酸的条件下制备出有序度高的SBA-15介孔分子筛。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想出采用紫外光辐射辅助制备SBA-15介孔分子筛的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种通过紫外光辅射辅助绿色合成SBA-15介孔分子筛的方法，其步骤如下：
(1)将正硅酸乙酯和水按一定比例混合后在功率密度10～30w/m2的紫外光辐射下，于25～30℃下搅拌4～6小时进行水解，得到溶液A；
(2)将有机模板剂P123和水按一定比例混合后搅拌4～6小时，得到溶液B；P123为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷，其分子式为EO20PO70EO20，Ma＝5800；
(3)将溶液B缓慢加入溶液A中，得到SBA-15介孔分子筛初始溶胶体系，再在功率密度10～30w/m2的紫外光辐射下，于30～50℃下搅拌20～30小时；
(4)向步骤(3)得到的反应溶液中加一定量的水溶性无机盐；
(5)将步骤(4)得到的反应溶液在90～110℃下晶化24～72小时，然后将晶化反应产物冷却至25～30℃后抽滤，再将抽滤产物在50～80℃空气气氛中干燥，得到SBA-15介孔分子筛原粉，最后在500～600℃空气气氛中焙烧5～6小时，即得到SBA-15介孔分子筛；
步骤(1)中正硅酸乙酯与水混合的质量比为TEOS：H2O＝1：3～10；
步骤(2)中有机模板剂P123与水的质量比为P123：H2O＝1：30～42.5；
步骤(3)中溶液B的滴加速度为25～35mL/min；
水溶性无机盐为NaCl、KCl或Na2SO4；
步骤(4)中各反应物总的质量比为TEOS：P123：水溶性无机盐：H2O＝40：20：1～10：750～1000。
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