CN107140644B - 一种室温具有流体行为的SiO2多孔液体及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种室温具有流体行为的SiO2多孔液体及制备方法，采用模板法制备空心SiO2，采用共沉淀四氧化三铁作为模板，同时在氨水的催化正硅酸乙酯水解，沉积在四氧化三铁模板表面生成SiO2，然后利用盐酸除去四氧化三铁，形成空心SiO2。在多孔纳米粒子表面通过硅氧乙基的水解，通过共价键接枝在空心SiO2表面作为颈状层，再选用和颈状层电性相反的有机低聚物作为冠状层，形成多孔液体。本发明制备的SiO2多孔液体含有稳定存在、有固定形状、尺寸大于分子的微孔的液体。结合了固体多孔材料和连续液体的优点，兼具固体多孔材料(如沸石和金属有机多孔结构)固定的孔隙结构、高的表面积、低密度和液体的流动性等性能。
Description
技术领域
本发明属于多孔液体及制备方法，涉及一种室温具有流体行为的SiO2多孔液体及制备方法，是一种高性能吸附材料，可应用于高效溶剂、气体选择性吸附和分离、分子可控合成等领域。
背景技术
多孔材料具有稳定的孔隙结构，表面积大，密度低等优点，可应用于吸附和分离等方面。但是，其固态的相态限制了其应用领域。液体中一般也含有孔隙，但是这种孔隙小于分子尺寸，一般小于并且孔隙不稳定，随着热运动随时消失。根据分子溶解理论，溶质溶于溶剂中，其消耗的能量很大一部分用来在溶剂中形成一个足够大的孔隙，将溶质分子包裹其中。如果溶液中含有稳定存在、有固定形状、尺寸大于分子的微孔，那么溶质的溶解度和扩散速度将会大大提高。多孔液体就是将多孔材料的孔隙结构、大的比表面积、低密度和可流动的液体特性结合起来，结合了多孔材料和连续液体的优点，这是一个新的概念，液体被赋予了固体微孔的大小、形状选择性、吸附等特性后，将会具有潜在的巨大应用价值。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种室温具有流体行为的SiO2多孔液体及制备方法，提高溶解性和吸附选择性。
技术方案
一种室温具有流体行为的SiO2多孔液体，其特征在于组份的质量分数为：10～30％的多孔SiO2和70～90％低聚物；所述低聚物包括颈状层的硅烷偶联剂和冠状层有机低聚物，控制加入的颈状层与冠状层低聚物官能度比为1:1。
所述多孔SiO2为空心纳米粒子，空心纳米粒子SiO2平均直径≤15nm，平均内径为9nm。
所述硅烷偶联剂为末端含磺酸基或者胺基的硅烷偶联剂。
所述有机低聚物为聚氧乙烯叔胺或磺化聚乙二醇。
一种制备所述室温具有流体行为的SiO2多孔液体的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、模板法制备空心SiO2：以共沉淀四氧化三铁作为模板，加入氨水调节pH 为11，在氨水的催化正硅酸乙酯水解，使正硅酸乙酯均匀地沉积在四氧化三铁模板表面生成SiO2，然后利用盐酸除去四氧化三铁，形成空心SiO2；所述正硅酸乙酯和四氧化三亚的质量比为1:3～1:5；所述四氧化三铁与氯化氢分子的摩尔比不低于1:8；
步骤2：将空心SiO2分散于去离子水中，再加入与空心硅球等质量的硅烷偶联剂，通过共价键接枝在空心SiO2表面作为颈状层；所述空心SiO2与去离子水的质量比为 1:100；
步骤3：将有机低聚物溶于去离子水，逐滴加入步骤2的悬浊液中搅拌12小时，反应完成后用高速离心机除去未反应的空心SiO2，干燥可得棕黄色透明液体，为SiO2多孔液体；所述有机低聚物与去离子水的质量比为1:10。
有益效果
本发明提出的一种室温具有流体行为的SiO2多孔液体及制备方法，采用模板法制备空心SiO2，采用共沉淀四氧化三铁作为模板，同时在氨水的催化正硅酸乙酯水解，沉积在四氧化三铁模板表面生成SiO2，然后利用盐酸除去四氧化三铁，形成空心SiO2。在多孔纳米粒子表面通过硅氧乙基的水解，通过共价键接枝在空心SiO2表面作为颈状层，再选用和颈状层电性相反的有机低聚物作为冠状层，形成多孔液体。
含稳定SiO2孔隙、SiO2平均外径为11nm，平均内径为9nm左右，质量百分含量大于10％，孔隙率大于30％的液体，具有对CO2气体的高效吸附性能，对于CO2/N2具有高效选择性。
本发明制备的SiO2多孔液体含有稳定存在、有固定形状、尺寸大于分子的微孔的液体。结合了固体多孔材料和连续液体的优点，兼具固体多孔材料(如沸石和金属有机多孔结构)固定的孔隙结构、高的表面积、低密度和液体的流动性等性能。采用空心SiO2为核，通过共价键接枝低聚物双层结构，35℃以下呈现液体状态，空心SiO2单分散。本发明的SiO2多孔液体制备方法简单、易行，由于中空纳米粒子在35℃以下呈液态，且单分散，使得其在气体吸附、催化剂方面和分子可控合成等方面具有潜在的应用前景。
附图说明
图1以SIT 8378.3为例的制备过程示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的制备方法见附图1(以SIT 8378.3为例)：
主要成分为空心SiO2纳米粒子，颈状层为SIT8378.3或SID3392，冠状层为聚氧乙烯叔胺或磺化聚乙二醇。
所述的空心SiO2纳米粒子可采用平均外径≤15nm，平均内径为9nm的空心SiO2纳米粒子。
所述的空心SiO2纳米粒子的重量含量为10-20％，粒径≤15nm。
所采用的硅烷偶联剂(颈状层)为含磺酸基或胺基类硅烷偶联剂，例如SIT8378.3，SID3392等。
外层低聚物为与内层电性相反的有机低聚物(冠状层)，如聚氧乙烯叔胺(商品名为Ethomeen 18/25)，磺化聚乙二醇(PEGS)，不同分子量的聚醚胺等。
制备含有空心SiO2纳米粒子方法如下：
a)将摩尔比为1:2的FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O溶于一定量去离子水，加入氨水调节pH至11到12，室温搅拌1h。
b)将4.0-5.0mL正硅酸乙酯与80mL无水乙醇混合，加入至上述悬浊液中，继续搅拌24h。
c)将b所得混合液离心，取下层沉淀，加入1mol·L-1的HCl溶液，搅拌至亮黄色，过滤留下沉淀，反复用去离子水清洗沉淀，100℃下干燥。
SiO2多孔液体的制备方法如下：
a)将粒径≤15nm 0.20g空心SiO2分散于去离子水中与0.6-0.8mL SIT 8378.3(30％水溶液)混合，60℃至70℃条件下磁力搅拌24h，得悬浊液。
b)将一定量有机低聚物溶于去离子水，加入已接枝SIT8378.3的空心SiO2悬浊液中，之后加入有机低聚物水溶液，而继续磁力搅拌12h。
c)将b所得胶体悬浮液，利用高速离心机离心(5000-10000rpm)8-12min，去除下层少量沉淀物，收集上层澄清悬浮液。
d)将c所得澄清悬浮液，真空干燥箱中烘至恒重。
所述的SiO2多孔液体，室温具有流体行为，空心SiO2纳米粒子的含量达10％(重量比)以上,多孔液体的孔隙率含量30％(重量比)以上。
所述的SiO2多孔液体，具有很好的分散稳定性，孔隙含量稳定，室温下呈现液体。
具体实施例1：
空心SiO2的制备：将摩尔比为1.0g氯化亚铁四水合物(FeCl2·4H2O)和3.25g 氯化铁六水合物(FeCl3·6H2O)溶于一定量去离子水，加入氨水调节pH至11到12，室温搅拌1h，得到黑色悬浊液。将4.0-5.0mL正硅酸乙酯与80mL无水乙醇混合，加入至上述悬浊液中，继续搅拌24h。反应完成后将上述悬浊液离心，取下层沉淀，加入20-40mL物质的量浓度为1mol·L-1的稀盐酸(HCl)溶液，搅拌至亮黄色，过滤留下沉淀，反复用去离子水清洗沉淀，100℃下干燥，即可得到空心SiO2。
选用具有磺酸基的有机硅烷SIT 8378.3作为颈状层，将0.20g空心SiO2分散于去离子水，加入0.6-0.8mL SIT 8378.3(30％水溶液)，磁力搅拌，60℃至70℃条件下搅拌 24小时，硅烷水解通过共价键连接在空心SiO2表面，冠状层采用有机低聚物聚氧乙烯叔胺，将1.63g-2.18g聚氧乙烯叔胺溶于去离子水，逐滴加入上述悬浊液中，聚氧乙烯叔胺在水溶液中呈现负电，可通过离子键与颈状层连接，继续搅拌12小时，反应完成后用高速离心机除去未反应的空心SiO2，干燥可得棕黄色透明液体，即为SiO2多孔液体。
实施例2：
空心SiO2的制备：将摩尔比为1.0g氯化亚铁四水合物(FeCl2·4H2O)和3.25g 氯化铁六水合物(FeCl3·6H2O)溶于一定量去离子水，加入氨水调节pH至11到12，室温搅拌1h，得到黑色悬浊液。将4.0-5.0mL正硅酸乙酯与80mL无水乙醇混合，加入至上述悬浊液中，继续搅拌24h。反应完成后将上述悬浊液离心，取下层沉淀，加入20-40mL物质的量浓度为1mol·L-1的稀盐酸(HCl)溶液，搅拌至亮黄色，过滤留下沉淀，反复用去离子水清洗沉淀，100℃下干燥，即可得到空心SiO2。
选用具有磺酸基的有机硅烷SIT 8378.3作为颈状层，方法与实例一相似，用同样的方法将0.6-0.8mL SIT 8378.3(30％水溶液)加入含有0.20g空心SiO2悬浊液中，冠状层采用有机低聚物聚醚胺M2070，将1.86g-2.48g聚醚胺M2070溶于去离子水，逐滴加入上述悬浊液中，60℃至70℃条件下继续搅拌24小时，反应完成后用高速离心机除去未反应的空心SiO2，干燥可得淡黄色透明液体，即为SiO2多孔液体。
本发明相比现有技术的优点在于：
兼具固体多孔材料(如沸石和金属有机多孔结构)固定的孔隙结构、高的表面积、低密度和液体的流动性等性能。多孔液体具有固体孔隙材料的特征，同时在工业上可采用可持续、连续化液体工艺过程。比常规液体具有更大的孔隙含量，使得多孔液体具有更好的溶解性能和气体吸附扩散和选择性能。
Claims (2)
1.一种室温具有流体行为的SiO2多孔液体，其特征在于组份的质量分数为：10～30％的多孔SiO2和70～90％低聚物；所述低聚物包括颈状层的硅烷偶联剂和冠状层有机低聚物，控制加入的颈状层与冠状层低聚物官能度比为1:1；所述多孔SiO2为空心纳米粒子，空心纳米粒子SiO2平均直径≤15nm，平均内径为9nm；
所述硅烷偶联剂为末端含磺酸基或者胺基的硅烷偶联剂；
所述有机低聚物为聚氧乙烯叔胺或磺化聚乙二醇。
2.一种制备权利要求1所述室温具有流体行为的SiO2多孔液体的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、模板法制备空心SiO2：以共沉淀四氧化三铁作为模板，加入氨水调节pH为11，在氨水的催化正硅酸乙酯水解，使正硅酸乙酯均匀地沉积在四氧化三铁模板表面生成SiO2，然后利用盐酸除去四氧化三铁，形成空心SiO2；所述正硅酸乙酯和四氧化三亚的质量比为1:3～1:5；所述四氧化三铁与氯化氢分子的摩尔比不低于1:8；
步骤2：将空心SiO2分散于去离子水中，再加入与空心硅球等质量的硅烷偶联剂，通过共价键接枝在空心SiO2表面作为颈状层；所述空心SiO2与去离子水的质量比为1:100；
步骤3：将有机低聚物溶于去离子水，逐滴加入步骤2的悬浊液中搅拌12小时，反应完成后用高速离心机除去未反应的空心SiO2，干燥可得棕黄色透明液体，为SiO2多孔液体；所述有机低聚物与去离子水的质量比为1:10。
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