CN111135851A - 一种介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介孔氧化硅的中低温快速脱模‑铜掺杂方法,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、高氯酸铵与铜盐于坩锅中,加入乙醇,搅拌15~20min至混合均匀,60~80℃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320~350℃,保温2‑8min,取出坩埚,冷却,得到脱除模板剂的铜掺杂介孔氧化硅材料。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,同时实现了铜元素的掺杂,整个处理过程简单、可控、省时节能、成本低廉,可大规模生产。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料技术领域,具体而言,涉及一种介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法。
背景技术
介孔氧化硅由于其规则的孔道结构、极高的比表面积、较窄的孔径分布等显著特性,使其常被用于催化、吸附分离和离子交换等相关领域。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,才能得到介孔氧化硅,因此模板剂的脱除是介孔氧化硅合成过程中必不可少的步骤。但是,脱除模板剂后纯的介孔氧化硅缺乏化学活性,在化学工业中的应用受到一定限制。因此,还需要对其进行改性。而铜掺杂改性的介孔氧化硅能够产生高密度的酸中心,展现出良好的催化活性,在催化领域具有较为广泛的应用前景。
目前,介孔氧化硅模板剂脱除方法主要有焙烧法、萃取法、紫外辐射法与微波消除法等。应用较多是焙烧法,即采用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,得到介孔氧化硅材料(Nat.Mater.2003,2,159-163)。但是该方法其存在明显的缺点:能耗极大(焙烧温度等于或高于550℃),耗时较长10~15h,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适用性差。而其他方法也都存在明显的缺点,萃取法产生的有机废液会污染环境,尤其处理工艺复杂,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,(Chem.Mater.2001,13,4760-4766)。紫外辐射法脱模率不高,不适合大量样品中模板剂的脱除(Chem.Mater.2000,12,3842-3847)。微波消除法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(Chem.Commun.2002,1186-1187)。此外,在脱除模板剂的同时无法实现过渡金属元素的掺杂,需分步进行(J.Mol.Cata.A:Chemical.2005,230,143-150;Mole.Cata.2018,445,43-51)。由此可见,现有模板剂的脱除方法都存在一些缺点,为此需要发展新方法,从而在较低温度下、较短时间内,快速高效的脱除模板剂同时实现过渡金属元素掺杂。
通过检索国内外现有技术,尚未见到有文献提出利用高氯酸铵与铜盐热爆法在较低温度下、较短时间内,快速高效的脱除模板剂同时实现铜掺杂介孔氧化硅合成方法报道。
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介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,进而得到高度有序、大比表面积的掺杂型介孔氧化硅材料。
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:一种介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,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、高氯酸铵与铜盐于坩锅中,加入乙醇,搅拌15~20min至混合均匀,60~80℃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320~350℃,保温2-8min,取出坩埚,冷却,得到脱除模板剂的铜掺杂介孔氧化硅材料。
进一步优选地,如上所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,其中步骤(1)中所述未脱除模板剂的介孔氧化硅、高氯酸铵、铜盐的质量比为1:(0.3~0.5):(0.02~0.2)。
进一步优选地,如上所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,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,如上所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,其中所述的铜盐选自如下的至少一种:乙酸铜、氯化铜、硝酸铜、硫酸铜等。
进一步优选地,如上所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,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,如上所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,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,如上所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,其中步骤(1)锡箔纸上均匀的扎出针眼大小的孔数量为20~30个。
进一步优选地,如上所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,其中步骤(2)中升温的速率为15~35℃/min。
进一步优选地,如上所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,其中步骤(2)中保温时间为3~5min。
进一步优选地,如上所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,其中所述的热处理整个过程所需时间为12~27min,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(320~350℃)、能耗低,热处理整个过程所需时间短为12~27min;
(2)本发明方法实现了较低温度下、较短时间内,快速高效的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200℃、热处理整个过程所需时间为焙烧法所需时间的1/50左右;
(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)脱除模板剂的同时,产生了酸性位实现了铜元素在介孔氧化硅材料中的掺杂;
(5)高氯酸铵氧化剂完全分解形成气态产物,完全挥发,无任何残留,无需后续处理;
(6)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中所得铜掺杂SBA-15介孔氧化硅小角XRD图;
图2为本发明实施例1中所得铜掺杂SBA-15介孔氧化硅TEM图;
图3为本发明实施例1中所得铜掺杂SBA-15介孔氧化硅氮气吸附-脱附及孔径分布图;
图4为本发明实施例1中未脱除模板剂的SBA-15(a)与高氯酸铵热爆法(b)所得铜掺杂SBA-15介孔氧化硅的红外光谱图;
图5为本发明实施例1中所得铜掺杂SBA-15介孔氧化硅的SEM与EDS图;
图6为本发明实施例1中所得铜掺杂SBA-15介孔氧化硅的化学吸附图。
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。
实施例一:
1.称取1g未脱除模板剂的SBA-15介孔氧化硅材料、0.5g高氯酸铵与乙酸铜0.2g于坩锅中,加入乙醇120mL,搅拌20min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30个,然后在马沸炉中以15℃/min升温至350℃,保温5min,打开炉门,取出坩埚,冷却后得到脱除模板剂的铜掺杂SBA-15。
2.脱除模板剂的铜掺杂SBA-15介孔氧化硅各种表征
以下通过XRD、SEM、TEM、EDS、红外光谱、物理吸附及化学吸附分析等表征手段,对实施例1制备的铜掺杂SBA-15介孔氧化硅材料的组成、介孔结构、微观形貌及性质进行分析表征。
(1)介孔结构分析(小角XRD、TEM及物理吸附)
图1为本发明实施例1中铜掺杂SBA-15介孔分子筛材料的低角度X射线粉末衍射图谱在0.5-4°范围内出现(100)、(110)、(200)晶面特征衍射峰,表现为高度有序的介观结构。
图2为本发明实施例1中铜掺杂SBA-15介孔分子筛材料的TEM图,图中可以看出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。
图3为本发明实施例1中铜掺杂SBA-15介孔分子筛材料氮气吸附及孔径分布,比表面积为797.9cm3/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5.7nm。以上结果表明模板剂已脱除。
如图4所示为未脱除模板剂的SBA-15(a)与高氯酸铵热爆法(b)所得铜掺杂SBA-15介孔分子筛材料红外光谱图,由图可以看出未脱除模板剂的SBA-15在1400-1600cm-1红外吸收波段存在模板剂P123的C-H弯曲振动谱,而高氯酸铵热爆法所得铜掺杂SBA-15在该红外吸收波段C-H弯曲振动谱完全消失,表明模板剂P123被脱除。
(2)扫描电镜及能谱分析(SEM及EDS)
图5为本发明实施例1中铜掺杂SBA-15介孔分子筛材料的SEM与EDS图。图中可以看出表面光滑没有形成杂质颗粒物,铜元素均匀分布于样品中,可能实现了掺杂。为了能更为准确的反映铜掺杂SBA-15介孔材料的组成,选取的SEM放大倍数较小。从EDS能谱图及其组分分析表1中可以看出组成各个元素的含量,其中Si/Cu=10.33。
表1铜掺杂SBA-15介孔分子筛材料组分分析
Element | Atomic% | Wt% |
O | 80.691 | 68.173 |
Si | 17.606 | 26.111 |
Cu | 1.703 | 5.716 |
(3)NH3-TPD化学吸附分析
图6为本发明实施例1中铜掺杂SBA-15介孔分子筛材料NH3-TPD化学吸附图,根据铜掺杂SBA-15的NH3-TPD结果可知,在200℃附件出现了NH3吸收峰,证明形成了Cu-O-Si键,产生了酸活性位点,铜掺杂SBA-15属于中酸。
综上所述,本发明成功的得到了脱除模板剂的铜掺杂SBA-15介孔分子筛材料。
本实施例中还将0.2g乙酸铜分别用氯化铜、硝酸铜、硫酸铜代替,其余过程相同,对产物进行表征,结果发现与乙酸铜的效果相同,均得到脱除模板剂的铜掺杂SBA-15介孔氧化硅。
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,均得到脱除模板剂铜掺杂的介孔氧化硅。
实施例二:
称取1g未脱除模板剂的SBA-15介孔氧化硅材料、0.4g高氯酸铵与乙酸铜0.1g于坩锅中,加入乙醇100mL,搅拌17min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25个,然后在马沸炉中以20℃/min升温至336℃,保温4min,打开炉门,取出坩埚,冷却后得到脱除模板剂的铜掺杂SBA-15介孔氧化硅。
通过XRD、SEM、TEM、EDS、红外光谱、物理吸附及化学吸附分析等表征手段,对制备得到的介孔氧化硅材料的组成、介孔结构、微观形貌及性质进行分析表征,结果表明得到了脱除模板剂的铜掺杂SBA-15介孔氧化硅。
本实施例中还将0.1g乙酸铜分别用氯化铜、硝酸铜、硫酸铜代替,其余过程相同,对产物进行表征,结果发现与乙酸铜的效果相同,均得到脱除模板剂的铜掺杂SBA-15介孔氧化硅。
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,均得到脱除模板剂铜掺杂的介孔氧化硅。
实施例三:
称取1g未脱除模板剂的SBA-15介孔氧化硅材料、0.3g高氯酸铵与乙酸铜0.02g于坩锅中,加入乙醇80mL,搅拌15min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20个,然后在马沸炉中以35℃/min升温至325℃,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。
通过XRD、SEM、TEM、EDS、红外光谱、物理吸附及化学吸附分析等表征手段,对制备得到的介孔氧化硅材料的组成、介孔结构、微观形貌及性质进行分析表征,结果表明得到了脱除模板剂的铜掺杂SBA-15介孔氧化硅。
本实施例中还将0.02g乙酸铜分别用氯化铜、硝酸铜、硫酸铜代替,其余过程相同,对产物进行表征,结果发现与乙酸铜的效果相同,均得到脱除模板剂的铜掺杂SBA-15介孔氧化硅。
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,均得到脱除模板剂铜掺杂的介孔氧化硅。
Claims (9)
1.一种介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,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、高氯酸铵与铜盐于坩锅中,加入乙醇,搅拌15~20min至混合均匀,60~80℃干燥后,用锡箔纸封住坩锅口,并在锡箔纸上均匀地扎出针眼大小的孔;
(2)将坩锅置于马沸炉中升温至320~350℃,保温2-8min,取出坩埚,冷却,得到脱除模板剂的铜掺杂介孔氧化硅材料。
2.根据权利要求1所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,其特征在于,步骤(1)中所述未脱除模板剂的介孔氧化硅、高氯酸铵、铜盐的质量比为1:(0.3~0.5):(0.02~0.2)。
3.根据权利要求1所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,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。
4.根据权利要求1所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,其特征在于,所述的铜盐选自如下的至少一种:乙酸铜、氯化铜、硝酸铜、硫酸铜。
5.根据权利要求1所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,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。
6.根据权利要求1所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,其特征在于,步骤(1)中用锡箔纸封住坩锅口,用铁丝扎紧,锡箔纸上均匀的扎出针眼大小的孔为20~30个。
7.根据权利要求1所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,其特征在于,步骤(2)中升温的速率为15~35℃/min。
8.根据权利要求1所述介孔氧化硅的中低温快速脱模-铜掺杂方法,其特征在于,步骤(2)中保温的时间为3~5min。
9.根据权利要求1所述介孔氧化硅的中低温快速脱模与铜掺杂方法,其特征在于,步骤(2)中升温和保温时间总和为12~27℃/min。
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GR01 | Patent grant | ||
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