介孔材料的合成和表征
介孔材料的合成和表征
实验部分
实验过程
合成介 孔SiO2
SBA-15
去除有 机模板
合成介 孔金属 氧化物
去除SiO2 模板
表征介 孔材料 • 氮气吸附脱附技术 • XRD表征
实验结 果分析
实验结果---N2吸附脱附
实验结果--XRD
100
110 200
SBA15
SBA15 CO3O4
实验结果
SBA15 CO3O4 大角
硬模板法合成过程示意图
背景材料
硬模板法
----显著优点 •可以实现对目标产物的孔道结构和表面形貌的有效控制，有利于 获得人们所需要的具有特定形貌和孔结构的材料。
明显的缺点
需要预成型的有序介孔固体或有序 排列的固体粒子等硬模板
背景材料 SBA-15
形态：具有二维六方(P6mm)形态。 合成：以非离子表面活性剂Pluronic P123（EO20PO70EO20 ）为模板，在
泡沫，多孔玻 璃
介孔材料的概述
研究介孔材料的意义
能源储 存
分子筛 生物医 学
应用
薄膜
催化剂
背景材料
硬模板法
• 硬模板法是指将某种选定的无机前驱物引入硬模板孔道中,然后 经焙烧在纳米孔道中生成氧化物晶体，去除硬模板后而制备相 应的介孔材料。 • 所用的模板剂大多是固体材料，如介孔SiO2或者介孔碳材料等。
介孔CO3O4的合成和表征
报告人：齐亚楠
介孔材料的概述
多孔材料的概述
孔径 微孔材料 2nm 特点 结晶化的骨架结构，水热稳定高， 孔 径分布窄，大量催化活性位 实例 沸石，分子筛
介孔材料 2~50 nm 孔径大范围可调，长程有序的结 构，高比表面积及孔体积
介孔材料的表征
介孔材料的结构分析与性质表征介孔材料的化学和物理性质是与材料的结构紧密相关的，介孔材料的合成、修饰改性、应用领域的科学家们需要详细的结构和性能的知识去达到他们的目的。
因此在介孔材料的研究中，对结构的分析和性能的表征十分重要。
许多技术手段可被用于测定材料的结构性质。
材料的表征技术可分为两个方面：结构表征和性能表征。
第一节引言本章所介绍的方法不仅适用于固体产物和材料的鉴定，也适用于反应过程的分析跟踪、机理研究以及产品质量的控制等。
采用任何一种方法得到的信息都是有限的，因此常将多种方法结合起来，例如常规的化学分析是十分重要的，在计算机辅助下进行性质模拟有助于得到理论上的支持，对多种方法分析的结果作出科学分析，才能得到正确的结论。
3.1.1 分析手段介孔材料的性质表征或结构测定是研究工作首要的一步，只在在得知了制备出了什么物质以及物质的物理性质，才能够进一步对这一材料的开发应用提出初步判断。
近50年来材料分析表征技术有了飞速的发展，尤其是近二三十年来这些分析食品都配备了高性能计算机，使分析测量工作的质量和速度得到了极大的提高，这些分析表征手段可分为下面三大类：1）衍射；2）光谱；3）显微技术。
随着分析理论和计算机技术的发展，很多分析方法都可以用计算机进行模拟。
一、衍射衍射是电磁辐射波动性的一种表现，当辐射经过一边缘或通过一小孔时会发生干涉现象。
当电磁辐射经过一有序排列的化合物时产生的干涉波包含了材料的结构信息。
衍射方法是研究晶体材料的长程周期性结构的最有效方法。
常用于结构研究的辐射源的各类有电子洗射、中子衍射、X射线衍射和同步辐射源等。
X射线衍射是实验室最重要、最方便、最实用的晶体结构分析手段，电子衍射、中子衍射和同步辐射常常在一些特殊目的和场合下使用。
由于合成的结晶多孔材料多为粉末微晶，使用X射线粉末衍射晶体结构分析有着很重要的作用。
二、光谱光谱技术是根据原子或分子（或者原子和分子的离子）对电磁波的吸收、发射或散射来研究原子、分子的物理过程，光谱技术则对晶体的和无定形材料中原子的局部环境更为敏感。
介孔材料的制备与性质表征
介孔材料的制备与性质表征随着科技的不断进步，各种新材料的研发和应用层出不穷。
其中，介孔材料因其特殊的物理和化学性质备受关注。
介孔材料是一类孔径在2~50 nm之间的微孔材料，相对于传统的微孔材料其孔径更大，分布更均匀。
本文将从介孔材料的制备和性质表征两个方面进行探讨。
一、介孔材料的制备介孔材料的制备主要分为模板法和自组装法两种方法。
1. 模板法模板法是制备介孔材料最常用的方法之一。
它的原理是在介孔材料的表面以模板为模型来构造孔道。
通常有硅凝胶、有机高分子和硬模板等多种模板可供选择，其中硅凝胶和有机高分子是最为常用的。
- 硅凝胶法硅凝胶法又称Sol-Gel法，是一种将液态前驱体制备成凝胶后再进行处理的方法。
该法主要分为三个步骤：首先将硅源与溶剂混合，形成可溶凝胶体系；然后在凝胶体系中添加催化剂，使其溶胶逐渐聚合形成凝胶；最后通过真空干燥或高温处理，去掉有机物，形成介孔材料。
- 有机高分子法有机高分子法是一种利用溶液内的溶剂蒸发作用，在有机高分子的作用下形成介孔材料的方法。
在该法中，有机高分子作为模板，与硅源和其他添加物混合后形成溶液。
然后将溶液蒸发至干燥，可得到有机高分子模板的介孔材料。
2. 自组装法自组装法是指分子或离子在一定条件下自发地形成有序结构的方法。
常见的自组装法有马来酰亚胺-胺(MA-AM)法、高分子抗蚀剂(PAA)法等。
- MA-AM法MA-AM法是利用马来酰亚胺和胺类化合物形成介孔材料的方法。
该法需要在一定条件下使MA-AM溶液自组装成有序的介孔材料结构。
- PAA法PAA法是利用高分子抗蚀剂形成介孔材料的方法。
该法需要在高分子抗蚀剂的作用下，在一定条件下形成介孔材料。
二、介孔材料的性质表征介孔材料的性质通常包括形态结构、孔径大小和比表面积。
1. 形态结构介孔材料的形态结构通常分为泡沫状、颗粒状等。
这些形态的结构对于介孔材料的应用有着重要的影响。
例如，泡沫状介孔材料可作为填充剂用于增强材料中，而颗粒状介孔材料则可用于催化剂的载体。
介孔分子筛的合成与表征
介孔分子筛的合成与表征摘要本文采用软模板法合成硅模板，然后采用硬模板法合成介孔碳模板，并用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜仪（SEM）、透射电镜仪（TEM）、BET法测定分子筛的介孔结构、晶体结构、表面形貌、粒径分布、孔径分布和比表面积。
实验结果表明软模板法合成的多面体SBA-16、球形SBA-16、棒形SBA-15、球形SBA-15以及SSP均有高度发达的有序孔结构，比表面积大，孔径分布较为均匀。
以这些硅模板合成的碳模板，不仅具有规整的结构而且比表面积远大于硅模板，其中由多面体SBA-16合成的碳模板的比表面积最大，其值为1600 m2/g，而且孔道规整，表明模板法实质就是板变孔道的过程。
关键词：硅模板、碳模板、介孔分子筛表征、模板水热合成法。
AbstractMesoporous silica and mesoporous carbon were synthesized using the template method and characterized by means of techniques such as X-ray diffraction (XRD), BET, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM).The experimental results indicated that the synthesized mesoporous silica and mesoporous carbon possessed well-defined ordered pore structures and mesoporous SBA-16 surface areas above 1600 m2/g.Keywords: silica template , carbon template, mesoporous molecular sieve characterization，templating hydrothermal synthe一、绪论（一）课题背景多孔材料由于具有较高的比表面积，长期以来广泛应用于吸附、催化和分离等领域。
新型功能化介孔材料CH3-MCM-41-NH2的合成和表征
渤海大 学学 报 （ 自然科 学版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｂ ｏ ｈ ａ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
Ｖ０ １ ． ３ ４． Ｎｏ ． ９ Ｓｅ ｐ ． ２ ０１ ３
第 ３期
褚
超， 谭
佳， 程
磊， 鲁 奇林 ： 新型功能化介孔 材料 Ｃ Ｈ， 一Ｍ Ｃ Ｍ一 ４ １一Ｎ Ｈ 的合成和表征
２ ７ ３
１ ． ２ 全 硅 介孔分 子 筛 ＭＣ Ｍ一 ４ １的合成
合成 步骤为 ¨ ： 将２ ５ ｇ 硅 酸钠放人 ５ ０ ｍ Ｌ蒸 馏水 中 ， 加 热至完全溶解 ， 用硫酸溶 液 （ ５ ｍ ｏ ｌ ／ Ｌ ） 调节 ｐ Ｈ值
４ １ ． 采 用 两步嫁 接 法 ， 分 别 用三 甲基 氯化 硅 （ Ｔ ＭＳ Ｃ Ｌ ） 和 ３一氨 基 三 乙氧 基硅 烷 （ Ａ Ｐ Ｔ Ｓ ） 对合 成 的
介 孔分 子 筛进 行 化 学修 饰 ， 首 次将 甲基 和氨 基 同 时嫁 接 到介 孔 材料 ＭＣ Ｍ 一４ １上 ， 得 到 新 型 的介 孔材料 Ｃ Ｈ 一ＭＣ Ｍ一 ４ １一 Ｎ Ｈ， ． 利用 Ｘ Ｒ Ｄ和 Ｆ Ｔ— Ｉ Ｒ对合 成 的新型功 能化 介孔 材料进 行表 征．
径 大小均 匀并且 排列 规则 ， 在 ２～ ２ ０ ｎ ｍ 范 围内可 连续调 节 ； 表 面 富含呈 弱酸性 的硅 羟基 ， 可与 有机化 合 物
反应 ， 实现 表 面的接 枝修饰 等诸 多优 点 ． 因此在 化工 领域 、 环 境保 护 领域 、 生 物 医学 领 域 、 食 品安 全 等 领域 有着 潜在 的应用 价值 ｊ ． 然而， 单一 的硅 基介 孔材 料 ＭＣ Ｍ一 ４ １吸附容 量 和稳 定 性 较低 、 选 择 性也 较 差 ， 在实 际生 活应 用 当中受 到了 限制 ． 因此 ， 在 介孔 分子 筛上嫁 接不 同 的官能 团 ， 对介 孔孔 道进 行有 机改性 ， 以 获得 具有 特殊 的作用 位 点 、 立 体化学 构 型 、 一定 的 电荷密 度 和酸 度 的材 料成 为 介 孔材 料 领 域研 究 的热 点 ． 诸如 甲基 、 巯基 、 氨基 、 羧基、 磺 酸基 、 苯 基及 不 同碳 链 的烷基 等 官 能 团 已被 成 功 接枝 于 ＭＣ Ｍ 一４ １的 孔 道 表 面 ｊ ． 基于甲基官 能 团化 和氨基 官能 化 的介孑 Ｌ 材料 已在催 化、 环保 、 生 物 等 领 域 有 着 成 功 的应 用 ， 本 文对 介孔 材料 ＭＣ Ｍ一 ４ １ 进行 改性 实验 ， 首次 将 甲基 、 氨 基 同时键合 到 ＭＣ Ｍ一 ４ １介孔分 子 筛孑 Ｌ 道 内表 面 ， 合成 新 型功能 化介 孔材料 Ｃ Ｈ 一ＭＣ Ｍ一 ４ １一 Ｎ Ｈ ， 并通 过 Ｘ Ｒ Ｄ、 Ｆ Ｔ—Ｉ Ｒ两种测 试 手段对 合 成 的
介孔材料
A
B
介孔材料的两种合成路线：A）软模板法 B）硬模板法
软模板法
• 软模板法是指表面活性剂分子与无机或有机分子之间通过非共价键（如： 情剑、静电作用力、范德华力等）自发形成热力学稳定且结构有序的超 分子结构的过程，超分子通常在10-1000nm之间 • 相对于传统的由上而下（Top-down）的微制造技术，软模板法在制造纳 米材料方面采取自下而上（bottom-up）的策略。
介孔材料
林存龙
多孔材料的分类
• 根据国际纯粹与应用化学协会（IUPAC）定义
微孔材料
介孔材料
大孔材料
孔径小于2nm
孔径在2-50nm之间 无机硅胶、介孔分子筛 （如MCM-41等）
孔径大于50nm
气凝胶、多孔玻璃、 活性炭
重要事件
• 1992年美国Mobil公司的科学家kresge，Beck等人在Nature上发表 了表面活性剂模板法通过有机-无机组分在溶液中的自发组装作用， 成功合成出孔径在1.5-10nm范围内可变的新型M41S系列氧化硅高 度有序的介孔材料，包括二维六方相的MCM-41，立方相双连续 孔道的MCM-48及一维层状结构的MCM-50三种类型，从而将沸石 分子筛的规则孔径从微孔范围拓展到介孔领域。
环境科学领域
• 介孔材料具有开放性的孔道结构，窄的孔径分布及很高的比表面 积和孔容，可以作为良好的环境净化材料。 • 例如活性炭是吸附废水中有机污染物最有效的吸附剂，但其再回 收利用率低。所以介孔材料成为人们研究的焦点。
苗小郁等. 介孔材料在环境科学中的应用进展[J].
利用介孔孔道合成纳米材料
介孔材料用于吸附与分离
介孔材料的应用
• 有序介孔材料自诞生起就得到了国际物理学、化学与材料界的高 的重视，并迅速成为跨学科研究的热点之一。
高分子材料中介孔结构的制备与表征
高分子材料中介孔结构的制备与表征引言：高分子材料作为一种重要的材料，在众多领域中得到广泛应用。
然而，传统的高分子材料往往具有致密的结构，导致其在某些应用中的性能无法满足要求。
为了进一步提高高分子材料的性能，研究人员开始关注并探索介孔结构对高分子材料的制备与表征。
本文将重点探讨介孔结构的制备方法以及如何表征介孔高分子材料的特性。
一、常见的介孔结构制备方法目前，通常有两种常见的方法用于制备介孔高分子材料。
一种是模板法，另一种是无模板法。
1. 模板法：模板法是通过使用介孔模板来制备介孔高分子材料。
常见的介孔模板包括有机小分子、无机纳米颗粒和液滴等。
在制备过程中，先将模板与高分子材料参与反应，在反应结束后通过化学或物理方法去除模板，留下介孔结构。
这种方法可以控制介孔材料的孔径大小和分布，具有较高的可控性。
2. 无模板法：无模板法是通过在高分子材料中引入裂解或催化剂来制备介孔结构。
在制备过程中，高分子材料中的裂解或催化剂会引起分子链的断裂或重排，从而形成介孔结构。
这种方法不需要额外的模板，比较简单实用，但控制孔径和分布较为困难。
二、介孔结构的表征方法为了能够准确地表征介孔高分子材料的结构和特性，研究人员常常使用一系列表征手段，如扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附-脱附等。
1. 扫描电子显微镜(SEM)：SEM是一种常用的表面形貌观察手段，可用于观察介孔高分子材料的孔道结构和形貌。
通过SEM可以获得介孔材料的表面形态及孔径大小等信息。
2. 透射电子显微镜(TEM)：TEM可以提供更高分辨率的图像，用于观察介孔高分子材料内部的孔道结构。
通过TEM可以获得介孔材料的孔道形貌和孔道分布等信息。
3. 氮气吸附-脱附：氮气吸附-脱附技术是一种常用的孔径表征手段。
通过在不同温度下测量吸附和脱附的氮气体积，可以获得介孔材料的孔径分布、比表面积等信息。
根据氮气吸附曲线，可以进一步计算得到孔体积等参数。
介孔材料常用的表征方法
介孔材料常⽤的表征⽅法介孔吸附材料常⽤的表征⽅法摘要：介孔材料具有优越的性能和⼴泛的应⽤价值，成为各个领域研究的热点。
本⽂简单介绍了介孔材料在吸附⽅⾯的应⽤以及常⽤的表征⽅法，如XRD、电镜分析、热重分析、BET法等。
关键词：介孔材料、吸附、XRD、BET、电镜分析介孔材料是⼀种具有多种优良性质，应⽤⼴泛的新型材料。
新型介孔吸附材料具有吸附容量⼤，选择性⾼，热稳定性好等[1]优点，成为研究的热点。
对于⽓体的分离，如CO2的吸附（缓解温室效应）具有重要意义。
1.介孔吸附材料的简介1.1介孔材料介孔材料是⼀种多孔材料，IUPAC分类标准规定孔径2.0～50nm的为中孔，也就是介孔[2]。
随着不断深⼊的研究，从最初的硅基介孔材料到现在各种各样的⾮硅基介孔材料被制备出来，并⼴泛应⽤于催化剂制备，新型吸附材料等⾏业。
最初的介孔材料源于沸⽯，沸⽯是指多孔的天然铝硅酸盐矿物。
这类矿物的⾻架中含有结晶⽔，⾻架结构稳定，在结晶⽔脱附或吸附时都不会被破坏掉[2]。
后来⼈们根据沸⽯的性质结合实际需要相继合成了⼈造沸⽯（分⼦筛）。
⽬前以SiO2为基础合成的介孔材料成为国际众多领域研究的热点。
主要的研究⽅法是通过浸渍的⽅法在分⼦筛上负载相应的有机物分⼦，优化分⼦筛的表⾯特性，如较⾼的吸附容量，好的选择性及较多的活性位等，在⽣物材料，吸附分离，催化，新型复合材料等领域具有重要的应⽤价值和前景。
介孔材料具有独特的有点[3,4]：①孔道⾼度有序，均⼀性好，孔道分布单⼀，孔径可调范围宽。
②具有较⾼的热稳定性和⽔热稳定性。
③⽐表⾯积⼤，孔隙率⾼。
④通过优化可形成具有不同结构、⾻架、性质的孔道，孔道形貌具有多样性。
⑤可负载有机分⼦，制备功能材料。
1.2新型吸附材料上世纪90年代，Mobil Oil公司以⼆氧化硅作为主要氧化物，⽤长链烷基伯胺作模板剂，⽔热法制备出含有均匀孔道，孔径可调，呈蜂窝状的MCM-41介孔材料。
它具有孔道呈六⽅有序排列、⼤⼩均匀、孔径可在2～10nm内连续调节，⽐表⾯积⼤等特点[2]，对于开发新型的吸附剂具有重要意义。
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孔径调控：通过调整EO，PO比例即可达到调控孔径的目的。同时
EO/PO的比例会影响产物的介观结构
介孔材料的表征
单个圆柱形孔中
流体的吸附作用,孔隙凝结和滞回特性
介孔材料的表征
பைடு நூலகம்
N2吸附-脱附表征技术
测定介孔材料的比表面积，孔 容和孔径分布等数据
比表面和孔隙度分析仪
(a) 微孔材料 (b) 非多孔材料和 (c) 介孔材料的吸附-脱附等温线
硬模板法合成过程示意图
背景材料
硬模板法
----显著优点 •可以实现对目标产物的孔道结构和表面形貌的有效控制，有利于 获得人们所需要的具有特定形貌和孔结构的材料。
明显的缺点
需要预成型的有序介孔固体或有序 排列的固体粒子等硬模板
背景材料 SBA-15
形态：具有二维六方(P6mm)形态。 合成：以非离子表面活性剂Pluronic P123（EO20PO70EO20 ）为模板，在
参考文献
• Zhenzhen Lin,a Wenbo Yue, Dazhen Huang, Jiyun Hu, Xiaoying Zhang, Zhong-Yong Yuanb and XiaojingYang Pore length control of mesoporous Co3O4 and its influence on the capacity ofporous electrodes for lithium-ion batteries • Peng Shu, Juanfang Ruan, Chuanbo Gao, Huachun Li, Shunai Che Formation of mesoporous Co3O4 replicas of different mesostructures with different pore sizes
实验部分
实验过程
合成介 孔SiO2
SBA-15
去除有 机模板
合成介 孔金属 氧化物
去除SiO2 模板
表征介 孔材料 • 氮气吸附脱附技术 • XRD表征
实验结 果分析
实验结果---N2吸附脱附
实验结果--XRD
100
110 200
SBA15
SBA15 CO3O4
实验结果
SBA15 CO3O4 大角
实验部分
主要的仪器和试剂
1. 试剂 Pluronic P123，Pluronic F127，HCl（37%），硅酸四乙酯（TEOS）， 丁醇，KCl，NaOH，乙醇，去离子水，各种金属氧化物前躯体 等（如Sn、Co、Fe、Ni、Ce、Cr、Mn的氯化物，硝酸盐）。 2．仪器 250mL和500mL烧瓶，量筒，离心管，坩埚，各种尺寸的磁子，布 氏漏斗和抽滤瓶，循环水式真空泵，聚四氟乙烯瓶，低速离心 机，水浴加热磁力搅拌器，普通的磁力搅拌器，电子天平，干 燥箱，马弗炉，比表面及孔径分析仪
泡沫，多孔玻 璃
介孔材料的概述
研究介孔材料的意义
能源储 存
分子筛 生物医 学
应用
薄膜
催化剂
背景材料
硬模板法
• 硬模板法是指将某种选定的无机前驱物引入硬模板孔道中,然后 经焙烧在纳米孔道中生成氧化物晶体，去除硬模板后而制备相 应的介孔材料。 • 所用的模板剂大多是固体材料，如介孔SiO2或者介孔碳材料等。
介孔CO3O4的合成和表征
报告人：齐亚楠
介孔材料的概述
多孔材料的概述
孔径 微孔材料 2nm 特点 结晶化的骨架结构，水热稳定高， 孔 径分布窄，大量催化活性位 实例 沸石，分子筛
介孔材料 2~50 nm 孔径大范围可调，长程有序的结 构，高比表面积及孔体积
溶胶，MCM-41
大孔材料 ＞50 nm 孔径较大可使用于生物分子等具 有 较大尺寸材料的应用