CN110803706B - 一种快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,该方法包括以下步骤:(1)分别称取未脱除模板剂的介孔氧化硅与高氯酸铵于坩锅中,加入乙醇,搅拌混合均匀,干燥;用锡箔纸封住坩锅口,并在锡箔纸上均匀扎出针眼大小的孔;(2)将坩锅置于马沸炉中升温至450~460℃,保温2‑8min,取出坩埚,冷却,得到脱除模板剂的介孔氧化硅。本发明方法实现了快速高效脱除介孔氧化硅材料中的模板剂,同时显著降低介孔氧化硅材料表面羟基的损失,整个处理过程简单、可控、省时节能、成本低廉,可大规模生产;与焙烧法相比较,本发明的高氯酸铵热爆法所得介孔材料的比表面积、孔径与孔体积均较大。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料制备技术领域,具体而言,涉及一种快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法。
背景技术
介孔氧化硅材料因其具有可控的孔道结构和较高的比表面积,而被广泛用于催化、药物负载、吸附分离、传感器和纳米材料制备等相关技术领域。将新合成的无机-有机复合介观结构材料中的模板剂脱除后,才能得到介孔材料,因此模板剂的脱除是介孔材料合成过程中必不可少的步骤。然而,不同的脱除方法会影响最终得到的介孔材料的性质。焙烧法和萃取法是目前应用最广的脱除表面活性剂的两种方法,也是最有效的方法。焙烧法通常采用1~2℃/min的速率将炉内温度升至550℃,然后保持该温度6h左右,直至表面活性剂完全燃烧脱除,得到介孔材料(Nat.Mater.2003,2,159-163)。尽管焙烧是一个最常用的方法,但是其存在明显的缺点:(1)焙烧脱模需要在高温下进行,通常焙烧温度等于或高于550℃,能耗极大;(2)焙烧过程通常耗时10~15h;(3)长时间高温焙烧容易导致介孔氧化硅骨架结构塌陷,对MCM、MSU等热稳定性较差的介孔氧化硅材料的脱模适用性差。萃取法是指采用乙醇或四氢呋喃等有机溶剂作为萃取剂,多次萃取将表面活性剂除去(Chem.Mater.2001,13,4760-4766;Chem.Mater.2001,13,2999-3008)。萃取法是在常温下进行,可以弥补焙烧法的许多不足;同时萃取法也存在一些缺点,如处理过程工艺复杂,需要有机溶剂反复萃取,通常所需时间为3~6天,且很难将表面活性剂彻底脱除,费时费力,为后续实验带来一系列麻烦;此外,萃取法产生的有机废液会污染环境。除以上两种常用方法之外,还有紫外辐射法、微波消除法与高氯酸铵溶液氧化法,但是都存在明显的缺点。紫外辐射法所需时间比较长(10h以上),且脱模率不高,不适合大量样品中表面活性剂模板的脱除(Chem.Mater.2000,12,3842-3847)。微波消除法需要浓硝酸、浓硫酸、酸性高锰酸钾、H2O2等强酸性、强氧化性的反应液,脱模后产生的强酸性或强氧化性废液会污染环境,需要进行繁琐、高成本的废液处理;同时,强酸性、强氧化性的反应液会导致介孔材料中一些非硅活性成分的流失或氧化脱落,不适于掺杂型介孔氧化硅材料的模板剂脱除(Chem.Commun.2002,1186-1187)。高氯酸铵溶液氧化法是将一定量的脱模前的介孔氧化硅材料置于水热釜中,加入适量的高氯酸铵和硝酸混合溶液,在80~120℃下加热6~12h,通过体系的强氧化作用脱除有机模板剂。高氯酸铵溶液氧化法使用较少,其缺点也较为明显:一是该法脱模所需处理时间较长(6~12h);二是该法脱模的选择性有限,目前报道仅适用于介孔氧化硅材料中三嵌段共聚物PEO-PPO-PEO模板剂的选择性脱除(MicroporousMesoporous Mater.2009,118,513-517)。综上所述,模板剂的脱除是合成介孔氧化硅分子筛中很重要的一个步骤,对最终形成介孔氧化硅材料的结构参数有较大的影响。而现有方法都存在不可克服的缺点,为此需要发展新方法,从而在较低温度下、较短时间内,快速高效的完全脱除模板剂。
通过检索国内外现有技术,尚未发现有文献提出利用高氯酸铵热爆法脱除介孔氧化硅材料中的模板剂,制备高度有序、大比表面积的介孔氧化硅材料。
发明内容
针对现有介孔氧化硅材料中模板剂脱除方法存在的不足,本发明的目的在于提供一种通过高氯酸铵热爆法来脱除介孔氧化硅材料中模板剂的方法,进而得到高度有序、大比表面积的介孔氧化硅材料。
为了实现本发明的上述技术目的,通过大量试验研究并不懈努力,最终获得了如下技术方案:一种快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,该方法包括如下步骤:
(1)分别称取未脱除模板剂的介孔氧化硅与高氯酸铵于坩锅中,加入乙醇,搅拌混合均匀,干燥;用锡箔纸封住坩锅口,并在锡箔纸上均匀的扎出针眼大小的孔;
(2)将坩锅置于马沸炉中升温至450~460℃,保温2-8min,取出坩埚,冷却,得到脱除模板剂的介孔氧化硅材料。
进一步优选地,如上所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其中步骤(1)中所述未脱除模板剂的介孔氧化硅与所述高氯酸铵的质量比为(3~5):1。
进一步优选地,如上所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其中所述的介孔氧化硅选自如下的至少一种:SBA-15、MCM-41、FDU-5、KIT-6、HMS、MSU。
进一步优选地,如上所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其中所述未脱除模板剂的介孔氧化硅与乙醇的用量比为1g:(80-120)ml。
进一步优选地,如上所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其中步骤(1)的搅拌时间为5~10min。
进一步优选地,如上所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其中步骤(1)所述干燥步骤的温度为60~80℃。
进一步优选地,如上所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其中步骤(1)用锡箔纸封住坩锅口,用铁丝扎紧。
进一步优选地,如上所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其中步骤(2)中升温的速率为10~25℃/min。
进一步优选地,如上所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其中步骤(2)中保温的时间为3~5min。
进一步优选地,如上所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其中步骤(2)中升温和保温时间总和为20~45min,模板剂脱除率达到97%以上。
相对于现有技术,本发明涉及的模板剂脱除方法具有如下优点和进步性:
(1)本发明方法是一种有别于其他模板剂脱除的方法,操作简单、处理温度低(能耗低),热处理整个过程所需时间短;
(2)本发明方法实现了快速高效脱除介孔氧化硅材料中的模板剂,与焙烧法相比较,高氯酸铵热爆法温度降低了100℃、热处理整个过程所需时间为焙烧法所需时间的1/20左右,所得介孔材料的比表面积、孔径与孔体积较大;
(3)本发明方法在中低温下、短时间内模板剂脱除率可达97%以上;
(4)本发明处理过程简单、过程可控、成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例1中高氯酸铵热爆法所得SBA-15介孔材料小角XRD图;
图2为本发明实施例1中高氯酸铵热爆法所得SBA-15介孔材料SEM图;
图3为本发明实施例1中高氯酸铵热爆法所得SBA-15介孔材料TEM图;
图4为本发明实施例1中未脱除模板剂的SBA-15(a)、高氯酸铵热爆法(b)与焙烧法(c)所得SBA-15介孔材料热重图;
图5为本发明实施例1中高氯酸铵热爆法与对比例4中焙烧法所得SBA-15介孔材料氮气吸附及孔径分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案和技术效果进行清楚、完整地描述,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限定本发明的保护范围。另外,实施例中未注明具体技术操作步骤或条件者,均按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1:
称取1g未脱除模板剂的SBA-15介孔氧化硅材料与0.2g高氯酸铵于坩锅中,加入乙醇80mL,搅拌5min混合均匀,在60℃下干燥后,用锡箔纸封口,并用铁丝扎紧,在锡箔纸上均匀的扎出针眼大小的孔,然后在马沸炉中以10℃/min升温至450℃,保温3min,打开炉门,取出坩埚,冷却后得到脱除模板剂的介孔氧化硅。
以下通过XRD、SEM、TEM、TG及物理吸附等表征手段,分别对实施例1和焙烧法(参见对比例4)制备得到的SBA-15介孔分子筛材料的组成、介孔结构、微观形貌及性质进行分析表征。
如图1所示,为高氯酸铵热爆法所得SBA-15介孔分子筛材料的小角X射线粉末衍射图谱,在低角度0.5-4°范围内出现(100)、(110)、(200)晶面特征衍射峰,表现为高度有序的二维六方介观结构。
如图3所示为高氯酸铵热爆法所得SBA-15介孔分子筛材料的TEM图,图中可以看出形成了规整的孔道,它在垂直孔道方向具有规整的六方孔道,其中黑影显示为孔壁,白色表示为孔道。
如图4所示为未脱除模板剂的SBA-15(a)、高氯酸铵热爆法(b)与焙烧法(c)所得SBA-15介孔分子筛材料TG%图,由图可以看出高氯酸铵热爆法所得SBA-15(TG:1.82%)与焙烧法所得SBA-15(TG:2.45%)介孔材料热重损失基本相同,表明高氯酸铵热爆法对介孔氧化硅材料中的模板剂基本实现完全脱除。
如图5所示为高氯酸铵热爆法与焙烧法所得所得SBA-15介孔分子筛材料氮气吸附及孔径分布。由图5(b,d)可知,高氯酸铵热爆法所得SBA-15介孔分子筛比表面积为806cm3/g,孔体积为0.99cm3/g。图中可以看出N2吸附/脱附等温线为典型的IV型曲线,具有H1滞后环,这是由于N2分子在介孔中的毛细凝聚现象造成的,这表明样品孔径分布窄且均一,这一点与孔径分布结果一致,孔径为6.9nm。而焙烧法所得SBA-15介孔分子筛材料的比表面积(719cm3/g)、孔径(6.2nm)与孔体积(0.86cm3/g)较小,具体见图5(a,c)。
本实施例中还将1g未脱除模板剂的SBA-15介孔氧化硅材料分别用MCM-41,FDU-5,KIT-6,HMS和MSU介孔氧化硅分子筛材料代替,其余过程相同,对产物进行表征,结果发现与SBA-15的效果相同,均得到脱除模板剂的介孔氧化硅。
实施例2:
称取1g未脱除模板剂的SBA-15介孔氧化硅材料与0.3g高氯酸铵于坩锅中,加入乙醇100mL,搅拌7min混合均匀,在80℃下干燥后,用锡箔纸封口,并用铁丝扎紧,在锡箔纸上均匀的扎出针眼大小的孔,然后在马沸炉中以12℃/min升温至455℃,保温4min,打开炉门,取出坩埚,冷却后得到脱除模板剂的介孔氧化硅。
通过XRD、SEM、TEM、TG及物理吸附等表征手段,对制备得到的SBA-15介孔分子筛材料的组成、介孔结构、微观形貌及性质进行分析表征,结果表明得到了高度有序、大比表面积的SBA-15。
本实施例中还将1g未脱除模板剂的SBA-15介孔氧化硅材料分别用MCM-41,FDU-5,KIT-6,HMS和MSU介孔氧化硅分子筛材料代替,其余过程相同,对产物进行表征结果发现与SBA-15的效果相同,均得到脱除模板剂的介孔氧化硅。
实施例3:
称取1g未脱除模板剂的SBA-15介孔氧化硅材料与0.25g高氯酸铵于坩锅中,加入乙醇120mL,搅拌10min混合均匀,在70℃下干燥后,用锡箔纸封口,并用铁丝扎紧,在锡箔纸上均匀的扎出针眼大小的孔,然后在马沸炉中以25℃/min升温至460℃,保温5min,打开炉门,取出坩埚,冷却后得到脱除模板剂的介孔氧化硅。
通过XRD、SEM、TEM、TG及物理吸附等表征手段,对制备得到的SBA-15介孔分子筛材料的组成、介孔结构、微观形貌及性质进行分析表征,结果表明得到了高度有序、大比表面积的SBA-15。
本实施例中还将1g未脱除模板剂的SBA-15介孔氧化硅材料分别用MCM-41,FDU-5,KIT-6,HMS和MSU介孔氧化硅分子筛材料代替,其余过程相同,对产物进行表征,结果发现与SBA-15的效果相同,均得到脱除模板剂的介孔氧化硅。
对比例1
处理过程及参数与本发明实施例1相同,不同点在于在于加入高氯酸铵为0.15g,结果得到黄色产物,对产物进行热重分析得到,TG%=6.3%,未能完全脱除介孔氧化硅分子筛材料的模板剂。
对比例2
处理过程及参数与本发明实施例1相同,不同点在于以10℃/min升温至440℃,结果得到黄色产物,对产物进行热重分析可知,TG%=13.7%,未能完全脱除介孔氧化硅分子筛材料的模板剂。
对比例3
处理过程及参数与本发明实施例1相同,不同点在于以9℃/min升温至450℃,结果得到黄色产物,对产物进行热重分析可知,TG%=8.6%,未能完全脱除介孔氧化硅分子筛材料的模板剂。
对比例4:焙烧法脱除SBA-15介孔氧化硅的模板剂
1g未脱除模板剂的SBA-15介孔氧化硅材料放入坩锅中,然后在马沸炉中以1℃/min的速率将炉内温度升至550℃,保温6h,自然冷却后得到脱除模板剂的SBA-15介孔氧化硅。
Claims (6)
1.一种快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
(1)分别称取未脱除模板剂的介孔氧化硅与高氯酸铵于坩锅中,加入乙醇,搅拌混合均匀,干燥;用锡箔纸封住坩锅口,并在锡箔纸上均匀扎出针眼大小的孔;
(2)将坩锅置于马沸炉中升温至450~460℃,保温2-8min,取出坩埚,冷却,得到脱除模板剂的介孔氧化硅;
步骤(1)中所述未脱除模板剂的介孔氧化硅与所述高氯酸铵的质量比为(3~5):1;
步骤(2)中升温的速率为10~25 ℃/min。
2.根据权利要求1所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其特征在于,所述的介孔氧化硅选自如下的至少一种:SBA-15、MCM-41、FDU-5、KIT-6、HMS、MSU。
3.根据权利要求1所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其特征在于,所述未脱除模板剂的介孔氧化硅与乙醇的用量比为1g:(80-120)ml。
4.根据权利要求1所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其特征在于,步骤(1)中搅拌时间为5~10 min。
5.根据权利要求1所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其特征在于,步骤(2)中保温的时间为3~5min。
6.根据权利要求5所述快速高效脱除介孔氧化硅材料模板剂的方法,其特征在于,步骤(2)中升温和保温时间总和为20~45min。
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