模板法合成介孔材料
模板法制备介孔材料及其在催化领域中的应用
模板法制备介孔材料及其在催化领域中的应用介孔材料是一种具有孔径在2-50nm之间，较高比表面积和较高孔隙度的材料。
具有这些特征的介孔材料在科学和工业领域中有广泛的应用，例如在催化、分离、吸附、传感等方面。
在制备介孔材料的方法中，模板法是应用最广泛的方法之一。
一、模板法的基本原理模板法是一种制备介孔材料的方法，它利用一种孔径大小和形状相似的模板，将模板与介孔材料合成前体物混合，并通过一定的处理方法，使模板从介孔材料中被去除。
模板的多样性（包括多孔材料、高分子、生物大分子等）和高度可控性使得模板法被广泛应用于介孔材料的制备中。
常见的模板材料有硬模板和软模板。
硬模板通常指的是一些具有强结构稳定性的材料，例如有序介孔材料的模板一般是二氧化硅或碳，而软模板则指一些比较活性的高分子或小分子化合物，例如PEG、P123和直链烷烃等。
二、模板法制备介孔材料的常见方法模板法制备介孔材料的方法有多种，其中主要包括硬模板法、软模板法和筛分法。
硬模板法：硬模板法是利用一定孔径和形状的硬模板，如介孔二氧化硅（MS）和有序介孔碳（CMK-3），将模板与预制介孔材料合成前体混合制备介孔材料。
其中，模板被去除通常采用酸或氧化剂等方法。
软模板法：软模板法是指利用高分子材料、生物分子等作为软模板制备介孔材料。
例如，通过P123在水和硅源之间的结构调控作用，可以制备出介孔二氧化硅。
筛分法：筛分法主要是指通过筛网或筛子等筛分作用，来选择孔径大小大于模板孔径的前驱组分，制备介孔材料。
筛分法主要适用于大孔介孔材料的制备。
三、模板法制备介孔材料在催化领域中的应用近年来，介孔材料在催化领域中得到了广泛的应用。
利用不同的模板法可制备出具有不同孔径和形态的介孔材料，这样就可以为催化反应提供不同类型的催化剂支撑，从而实现催化反应的高效和可控。
下面我们来看看模板法制备的介孔材料在催化领域中的应用。
1. 催化剂的支撑利用硬模板法制备的介孔材料具有很好的孔道结构和高比表面积，可以作为各种催化剂的理想载体，并且具有很强的化学稳定性。
以模板法制备介孔碳及其性能研究
从近 于分子级别 的纳米尺度来设 计并控 制聚合物前驱 体结构的有效方法 ， 通过 采用特殊 的炭化 过程 使这种 微观结 构得 以保存 并发生炭 化反应 ， 从
而 得 到 与 传 统 意 义 上 完 全 不 同 的 多 孔 炭 材 料 。 而 以 纳 米 材 料 为 反 模 板 制 造 介 孔炭 的 方 法 是 比 较 新 的 制 备 方 法 ， 研 究 得 较 少 ，其 基 本 原 理 是 利 用 纳 米 材 料 的 粒 径 分 布 （ －５ ｎ ）特 征 ，将 炭 前 驱 体 与 纳 米 材 料 以一 定 的 ２ ０ｍ
王
清华大学 核能与新能 源技 术研究院 北京市精 细陶瓷重点实 验室 北京 １。 Ｏ。
的孑 径 分布较 宽 ， Ｌ 按照 国际纯粹 与应用化学 联合会 （ＵＰ Ｉ ＡＣ） 的分 类“， 】 多
孔 炭 的 孔 大 小 分 为 ：大 于 ５ ｎ 是 大 孔 ，２ ０ ｍ 为 中 孔 ，小 于 ２ ｍ 的 ０ｍ ～５ ｎ ｎ
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对原料 进行热 失重 （ Ｇ）分析 ，深入 地 了解 其在高 温炭化各 个温度段 的 Ｔ
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变化情 况 。采用 Ｘ射 线衍射 （ ＸＲＤ）初
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有序介孔材料的合成与应用研究进展
有序介孔材料的合成与应用研究进展引言有序介孔材料是一类具有高度有序孔道结构的材料，具有较大的比表面积和孔容，广泛应用于吸附、催化、分离等领域。
本文将介绍有序介孔材料的合成方法以及在不同领域的应用研究进展。
一、有序介孔材料的合成方法1. 模板法模板法是制备有序介孔材料最常用的方法之一。
通过选择不同的模板剂，可以控制材料的孔径和孔道结构。
常用的模板剂包括硬模板剂和软模板剂。
硬模板剂通常是一些具有有序孔道结构的材料，如介孔二氧化硅、氧化铝等。
而软模板剂则是一些具有高度可调性的有机分子，如阴离子表面活性剂、聚合物等。
模板法的优点是合成过程简单，但模板的去除工艺较为复杂。
2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种常用的无模板法制备有序介孔材料的方法。
该方法通过溶胶的凝胶过程形成介孔结构。
溶胶通常是由一种或多种无机物和有机物组成的溶液，凝胶过程中，溶胶中的成分在凝胶剂的作用下形成固态材料。
溶胶-凝胶法的优点是制备过程简单，可以制备出各种形状的材料。
3. 硬模板转化法硬模板转化法是一种通过模板剂的转化制备有序介孔材料的方法。
首先，选择一个具有有序孔道结构的硬模板剂，然后通过模板剂的转化过程，使其转化为无机材料。
硬模板转化法的优点是可以制备出具有复杂孔道结构的材料。
二、有序介孔材料在吸附领域的应用1. 气体吸附由于有序介孔材料具有较大的比表面积和孔容，因此在气体吸附领域具有广泛应用。
例如，将有序介孔材料用作气体分离材料，可以实现对不同气体的高效分离。
此外，有序介孔材料还可以用于气体储存和传感器等领域。
2. 液体吸附有序介孔材料在液体吸附领域也有着重要的应用。
例如，将有序介孔材料用作吸附剂可以有效去除废水中的有机物和重金属离子。
此外，有序介孔材料还可以用于药物吸附和催化剂的负载等方面。
三、有序介孔材料在催化领域的应用有序介孔材料在催化领域具有广泛的应用前景。
由于其较大的比表面积和孔容，可以提供更多的活性位点，从而提高催化剂的催化性能。
介孔二氧化硅及其制备方法
介孔二氧化硅及其制备方法介孔二氧化硅的制备方法主要有模板法和无模板法。
模板法是通过使用有机或无机模板剂在溶液中形成孔道结构，然后使用适当的方法将模板剂去除，最终得到介孔二氧化硅。
无模板法是在合成体系中通过控制反应条件和物质浓度来形成介孔结构。
模板法可分为硬模板法和软模板法。
硬模板法使用具有特殊形状（如球形、棒状、微球形等）的模板剂为模板，通过溶胶-凝胶法或水热法制备介孔二氧化硅。
合成时，硅源（如硅酸盐）和模板剂混合，在适当的条件下反应生成介孔二氧化硅。
最后，通过煅烧去除模板剂，得到孔道结构。
然而，硬模板法的缺点是模板剂的使用量大、操作复杂、不环保。
相比之下，软模板法优点更多。
常用的软模板剂有表面活性剂、有机分子和高分子等。
其中，表面活性剂法最为常见。
表面活性剂法使用表面活性剂（如十六烷基胺、正十八烷、十六烷基胍、羟基乙基纤维素等）作为模板剂，在合适的条件下与硅源反应生成介孔二氧化硅。
最后，通过提取和煅烧去除模板剂，得到介孔二氧化硅。
这种方法简单、环保，使用的模板剂量少，但往往只能合成相对较小的孔径。
无模板法不借助模板剂，通过调节反应条件和反应物浓度来实现介孔结构的形成。
无模板法包括溶胶-凝胶法、水热法、气相法等。
在溶胶-凝胶法中，一种或多种硅源在溶剂中溶解，通过加热和干燥等处理生成凝胶，经过模板剂的胶凝、重整、烘干工序得到介孔二氧化硅。
水热法是将硅源和碱性溶液放置在高压釜中，加热反应，生成介孔二氧化硅。
气相法通过在合适条件下将气态前驱物在一定时间内裂解和重组，形成介孔结构。
无模板法具有反应条件简单、可实现大尺寸结构等优点，但往往无法获得具有较大孔径的介孔二氧化硅。
总结起来，介孔二氧化硅具有多种制备方法，模板法和无模板法是主要方法。
模板法可分为硬模板法和软模板法，前者操作复杂，后者简单环保，而无模板法则通过改变反应条件和物质浓度来实现介孔结构的形成。
不同的制备方法适用于不同的需求和应用。
随着制备技术的进步，更多高效且环保的制备方法将不断涌现。
介孔材料的合成及应用
介孔材料的合成及应用介孔材料是一种具有大量纳米级孔隙的材料，拥有广泛的应用前景。
本文将介绍介孔材料的合成方法和应用领域。
一、介孔材料的合成方法1. 模板法合成介孔材料模板法是合成介孔材料的常用方法之一，其基本原理是使用一种可溶性的有机或无机模板，在它的作用下，介孔材料具有特定的孔结构、特定的晶型和形状。
由于模板法的原料成本低、易于操作、控制孔径和和孔结构，因此被广泛应用于介孔材料的合成中。
2. 溶胶-凝胶法合成介孔材料溶胶-凝胶法是一种基于化学反应的介孔材料合成方法。
它以无定形和有定形的先驱体为原料，在适当的氢氧离子浓度和温度下进行多连续骨架反应，最终得到孔径大小不等的介孔材料。
其优点是制备工艺相对简单、反应时间短。
但缺点是无法控制孔径和孔结构的大小和分布。
二、介孔材料的应用领域1. 催化剂介孔材料在催化剂领域中具有广泛的应用前景。
由于介孔材料微米级别的特定孔型和配合物种类，使其具备较高的光催化性能、质子传递反应和离子交换反应，在催化剂领域中具有巨大的潜力。
2. 吸附材料介孔材料具有大量的微小孔道，可以将具有大分子量的有机和无机颗粒物质的吸附性能得到很好的提高。
在环保处理、化学分离技术领域中有着广泛的应用，如石油催化剂的再生、废气处理等。
3. 药物释放载体介孔材料具有空间中结构复杂的孔道和可调控的孔径大小和分布，这些特性使其成为一种优良的药物缓释系统，可充分利用孔道吸附和承载药物，控制药物释放速率和时间，从而增强药物的治疗效果。
4. 电子显示器材料介孔材料的表面性质和空间结构的可调控特性使其具有良好的导电性和吸附功效，已广泛应用于LCD电子显示屏的制造行业。
五、总结介孔材料具有广泛的应用前景，不仅在环保、化学分离、药物控释等领域有着突出的表现，而且未来其在纳米材料、能源材料、电子信息技术领域中也会得到广泛的应用。
合成介孔材料过程中需注意控制不同操作参数对孔结构和孔径的影响，探索多种方法进行改进和优化。
表面活性剂模板法制备介孔材料的研究进展
表面活性剂模板法制备介孔材料的研究进展杨翠英;申腾;滕弘霓【摘要】介孔材料具有较高的比表面积、孔径在2~50 nm内连续可调,孔道结构多样性等特征,在催化、吸附和分离等领域有着重要的应用前景.本文综述了不同类型(阳离子型、阴离子型、非离子型及混合型)表面活性剂聚集体作模板合成介孔材料的研究进展,具体分析不同模板剂合成介孔材料的特点;并进一步阐述如何通过改变合成条件来控制介孔材料的孔径尺寸及形貌;最后简单介绍介孔材料的功能化研究及在应用领域的发展前景.%With high specific surface area,adjustable pore size in 2~50 nm,and diverse pore structures,mesoporous materials have important applications in the fields of catalysis,adsorption and separation.The research progresses of mesoporous materials preparation using different types of surfactants,including cationic surfactants,anionic surfactants,nonionic surfactants and mixed surfactants,as templates was introduced and the features of different templates wereanalyzed.Meanwhile,the function of synthesis conditions in controlling pore size and shape of materials was reviewed.Finally,the functionalization of mesoporous materials and its broad application prospect were viewed.【期刊名称】《山东科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(035)006【总页数】7页(P49-55)【关键词】介孔材料;表面活性剂;模板;应用【作者】杨翠英;申腾;滕弘霓【作者单位】山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛 266590;山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛 266590;山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛 266590【正文语种】中文【中图分类】TB34根据国际纯粹与应用化学联合会(international union of pure and applied chemistry,IUPAC)的定义，按孔直径的大小可将多孔材料分为三类：小于2 nm的称为微孔材料；2～50 nm之间的称为介孔材料；大于50 nm的称为大孔材料[1]。
介孔碳材料的合成及应用
介孔碳材料是一种具有高比表面积、大孔径和有序介孔结构的新型碳材料，具有广泛的应用前景。
下面是介孔碳材料的合成及应用的一些方面：
合成方法：
1.软模板法：利用表面活性剂分子自组装形成的胶束作为模板，通
过前驱体在模板周围的聚合和碳化，形成介孔碳材料。
2.硬模板法：使用具有有序介孔结构的物质（如二氧化硅、氧化铝
等）作为模板，通过前驱体在模板中的填充和碳化，得到介孔碳材料。
3.直接碳化法：将有机物前驱体直接碳化，通过控制反应条件和催
化剂的选择，可以得到具有介孔结构的碳材料。
应用领域：
1.催化剂载体：介孔碳材料具有高比表面积和有序的介孔结构，可
以作为催化剂载体，提高催化剂的活性和选择性。
2.吸附分离：介孔碳材料的大孔径和高比表面积使其在吸附分离方
面具有良好的应用前景，如气体吸附、液体吸附和膜分离等。
3.电极材料：介孔碳材料可以作为电极材料用于超级电容器、锂离
子电池等储能设备，提高其能量密度和循环寿命。
4.药物传递：介孔碳材料的有序介孔结构可以作为药物载体，实现
药物的可控释放和靶向输送。
5.环保领域：介孔碳材料可以用于水处理、空气净化和土壤修复等
环保领域，吸附有害物质。
介孔材料的制备范文
介孔材料的制备范文介孔材料是指具有介孔结构的材料，孔径分布在2-50纳米之间。
由于其特殊的孔结构，介孔材料在催化、吸附、离子交换、分离等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍介孔材料的制备方法，包括模板法、自组装法和溶胶-凝胶法等。
模板法是制备介孔材料的常用方法之一、该方法的基本原理是在模板剂的作用下，在溶液中形成相应的结构，并通过适当的后处理方法去除模板剂，得到介孔结构。
目前常用的模板剂包括有机模板剂和无机模板剂两种。
有机模板剂一般是高分子聚合物，如聚乙烯氧化物（PEO）、聚苯乙烯（PS）等。
制备过程中，首先将有机模板剂与无机前驱体混合，在适当条件下形成胶体颗粒，然后通过热处理或化学处理去除有机模板剂，最后得到介孔材料。
这种方法制备的介孔材料孔径大小和分布较为均匀，孔壁结构较为稳定。
但是，由于模板剂的存在，所得产物中可能含有杂质，需要经过一定的后处理过程进行纯化。
无机模板剂一般是一些离子型化合物，如正离子型模板剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、Brucine、正十八烷基三甲基溴化铵（CTAC）等。
制备过程中，有机模板剂与无机前驱体形成螺旋状或层状结构，并通过适当的后处理方法去除模板剂，最后得到介孔材料。
与有机模板剂相比，无机模板剂制备的介孔材料孔径和分布更易控制，孔壁结构也较为稳定。
同时，由于无机模板剂在制备过程中易于去除，所得产物中杂质较少，纯度较高。
自组装法是制备介孔材料的另一种常用方法。
该方法的基本原理是利用溶液中物质之间的相互作用力在分子水平上自发组装成特定结构。
自组装法主要包括溶剂蒸发法、水热法和微乳液法等。
溶剂蒸发法是通过控制溶剂的挥发速率，使介孔材料的前驱体溶液在特定条件下发生自组装。
经过溶剂的蒸发，介孔材料的前驱体颗粒逐渐凝聚并排列成特定结构。
该方法制备的介孔材料孔径大小和分布均匀，表面积较大，但其孔壁结构相对较为疏松。
水热法是在高压高温的条件下，通过溶液中物质之间的相互作用力形成介孔结构。
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主要内容
1 2 3
介孔材料简介 模板法介绍 模板法合成机理
3.1 3.2 3.3
液晶模板机理 协同作用机理
广义液晶模板机理
3.4 氢键π-π堆积协同作用机理
介孔材料介绍
1992年Mobil公司使用表面活性剂带正电荷的季铵盐作为模板剂，首次 合成了有序介孔材料 M41S系列
硅源
然后再向其中逐滴加入无机源，通过 溶胶凝胶工艺或水热处理后，进行过 滤、洗涤等处理；
最后经过煅烧或萃取去除有机物， 得到孔径分布窄且有序的介孔材 料。
模板剂
自组装
溶剂
Temperature℃
CTAB Concentration（ Wt% ）
C. J. Brinker, Y. Lu, A. Sellinger,H. Fan, Adv. Mater., 1999,11, 579
远低于形成液晶相所需浓度，没有硅酸盐存在时只有 胶团而无液晶相；
2 合成温度：﹥70℃
胶束不能稳定存在；
3 PH=12-14
在没有表面活性剂存在时，硅酸盐自己不会发生缩聚 生成固相。
--- Monnier A et al,Science 261,1993
协同作用机理（cooperative formation mechanism）
Thank you & Happy New Year!
-----Frank Hoffmann et al. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 3216, 2006
高浓度合成有序介孔材料
MCM-41 为代表的有序介孔材料的合成使用的表面活性剂浓度很低, 一般在临界胶束浓度(CMC) 附近,并不是真正的“液晶模板”合成.
1995 年,Attard 等首次报道采用极高的表面活性剂浓度(约50%） 合成了有序介孔氧化硅材料。该体系在无机物种加入前已检测到表面活 性剂溶致液晶的存在。
主要参考文献
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Frank Hoffmann et al. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 3216, 2006 C. J. Brinker, Y. Lu, A. Sellinger,H. Fan, Adv. Mater. 11, 579, 1999 Beck J S, Vartuli J C, Roth W J et al. J Am. Chem. Soc. 114,10834, 1992 C.T.Kresge, M.E.Leonowicz, W.J.Roth et al. Nature. 359,6397, 1992 G.S.Attard, J.C.Glyde, C.G.Goltner. Nature 378,6555,1995 Q.S.Huo, D.I.Margolese et al. Chemistry of Materials. 6(8),1176,1994 P.D.Yang, D.Y.Zhao, D.I.Margolese et al. Nature. 396,6707, 1998 Yong Zhou et al. Nano Letters. 4(3) 477-481,2004
Catapal alumina 硅源、 铝源
Calcined 6h in air Calcined at 540℃,1h in N2
结果表征
TEM图
XRD图
MCM-41
比表面积： 1000m2 /g 孔体积： 0.79 cm3 /g 无定形硅
N2 等温吸附/脱附图
液晶模板机理（liquid-crystal templating mechanism）
合成过程
EO20PO70EO20 dissolved in ethanol Add respective inorganic chloride precursor
Stirring 30 min
sol
40 ℃ in air for 1-7 days gel 400 ℃ 5h in air calcined
1.2nm
Yong Zhou et al, NANO LETTERS 2004 Vol. 4, No. 3 477-481
氢键π-π堆积协同作用示意图
TEM图 孔径约为2.5nm，孔壁厚度为2.5-3.1nm XRD小角散射图(SAXS) 孔间平均距离：5nm
比表面为 801g/m2
孔容率为 1.27cm3/g
模板法合成有序介孔材料机理：
各种机理的提出与争论是推动介孔材料研究快 速发展的一个最重要力量。 ------徐如人
液晶模板机理（liquid-crystal templating mechanism）
MCM-41的合成过程
模板剂 C16H33(CH3)3N+OH/Cl (26wt%) mixed in autoclave 150℃ 48h TEOS precipitated silica (HiSil) Cooling,wash,drying
-----P.D.Yang, D.Y.Zhao, D.I.Margolese et al, Nature 396(6707),152(1998)
广义液晶模板机理
（Generalized liquid crystal templating mechanism）
应用这个原理，杨培东、赵东元等首次采用无水乙醇作为反应溶 剂，以环氧烷烃块状聚合物（如EO20PO70EO20）作为模板剂，并以 相应的无机氯化物作为先驱体，合成了热稳定、大孔径有序介孔 金属氧化物及复合氧化物系列，包括TiO2, ZrO2, Al2O3, Nb2O5, Ta2O5, WO3, HfO2, SnO2和混合氧化物 SiAlO3.5, SiTiO4, ZrTiO4, Al2TiO5 and ZrW2O8.
N2等温吸附/脱附图
小结
有序介孔材料在催化、吸附、分离及光、电、磁等许多领域有着潜在 的应用价值. 由以上几种机理的解释可以看出，由于模型建立的前提不同(如表面 活性剂浓度不同)，故解释合成机理时各有侧重点，但有着共同的地 方，即体系中存在超分子的自组装，以及无机物种与有机模板间的相 互作用在有序介孔材料合成当中起着决定性的控制作用。然而每一个 又无法充分解释各个相之间的转变过程.因此，以上几种机理需要相 互补充，来解释不同实验现象. 有关介孔结构形成的本质，目前还存在不少争议.随着合成方法的改 变及新型介孔结构的出现，有关合成详细机理的探讨还将进一步深入 .
有序介孔材料M41S系列：(孔径：2-50nm)
（a)MCM-41
(b) MCM-48
(C)MCM-50
-----Frank Hoffmann et al. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 3216, 2006
模板法合成介孔材料
合成的一般过程：
将一定量的表面活性剂、酸或碱加入到 水中组合成混合溶液，以表面活性剂形 成的超分子结构为模板；
------Q.S.Huo, D.I.Margolese et al, Chemistry of Materials 6(8),1176(1994)
广义液晶模板机理
（Generalized liquid crystal templating mechanism）
Stucky等还在协同作用机理的基础上，提出更为一般，更具有 普遍性的广义液晶模板机理，其内涵 从硅系拓展到非硅系（金属氧化物及复合氧化物） 从阳离子表面活性剂模板剂拓展到其他类型的模板剂 无机/有机物种的作用方式也从静电作用拓展到氢键和共价键。
ZrO2
TiO2
XRD衍射图
TiO2
TEM图
ZrO2
氢键π-π堆积协同作用机理
（Hydrogen bond-coπ- πstack mechanism ）
Zhou等使用室温离子液体（RTILs） [C4mim]+BF4- 做为模板 剂，TMOS作为硅源，制备出具有双连续蠕虫状或层状介孔结构的 块状材料。
------G.S.Attard, J.C.Glyde, C.G.Goltner,Nature 378 (6555),366(19 1400m2/g
N2吸附/脱附图
协同作用机理（cooperative formation mechanism）
MCM-41在另一种条件下的合成： 1 模板剂浓度： < 5%