介孔材料
介孔材料名词解释
介孔材料名词解释
介孔材料是一种孔径在2-50纳米之间的材料，具有高比表面积和孔容量，通常用于催化剂、吸附剂、分离膜等领域。
介孔材料在化学、物理、生物学等领域都有广泛的应用。
介孔材料可以分为有机介孔材料、无机介孔材料和混合介孔材料三类。
有机介孔材料主要由有机高分子自组装形成，具有较好的可控性和可调性。
无机介孔材料主要由无机化合物（如硅酸盐、铝酸盐等）自组装形成，具有良好的热稳定性和机械强度。
混合介孔材料是由有机和无机材料通过共混合成的材料。
介孔材料的特点是孔径大小适中，具有很大的比表面积和孔容量，可以大幅度增加反应物接触面积，提高反应效率和选择性。
此外，介孔材料还具有高度可控性和可调性，可以根据需求调控孔径大小和孔壁结构，以实现更好的性能表现。
介孔材料的应用范围非常广泛，例如在催化剂领域中，介孔材料可以作为载体或活性组分，用于催化反应，提高反应效率和选择性；在吸附剂领域中，介孔材料可以用于气体或液体的吸附和分离；在分离膜领域中，介孔材料可以用于制备高选择性的分离膜，用于分离气体或液体混合物。
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介孔材料的特点
具有规则的孔道结构 孔径分布窄，且在2~50 nm之间可以调节 经过优化合成条件或后处理，可具有很好的 热稳定性和一定的水热稳定性 颗粒具有规则外形，且可在微米尺度内保持 高度的孔道有序性
介孔材料的合成方法
溶胶-凝胶法 水热合成法 微波辐射合成法 相转变法 沉淀法
在医疗方面，介孔材料吸附药剂分子后在药物缓释与靶向释放方面
也有重要应用。
介孔材料的应用
选择性催化
介孔壁对反应物分子有强的相互作用，不同基质和介孔孔径以及介孔阵列对 不同的反应物特别是分子结构差异较大的物质有不同的相互作用和选择性催 化作用。利用不同化学组成的物质制备介孔材料将在选择性定位催化，特别 是高效转化方面具有广泛用途。
微波辐射合成法
晶化阶段用微波辐射合成了介孔材料MCM-41 全微波辐射法，即晶化和脱模均在微波作用下合成出 MCM-41 微波辐射加热不同于传统的加热方式，它是在电磁场 作用下，通过偶极子极化使体系中的极性分子急剧扭 转、摩擦产生热量来实现，具有内外加热、升温速度 快、高效节能、环保卫生等优点。利用全微波辐射法 合成MCM-41介孔分子筛，整个过程用时不到5 h。和 水热法相比，合成时间大大缩短，同时利用微波技术， 高效节能，操作便利，环境污染少。
介孔材料的表征手段
介孔材料表征手段自成一整套体系：
固 态 结 构
小角X射线衍射
x射线晶体衍射
大角X射线衍射
小角X射线衍射：确定是否有wormlike孔结构
大角X射线衍射：确定试样是晶态物质还是不定型物质
介孔材料的表征手段
红外光谱：确定物质的各种基团，确定是否有 骨架结构 示差扫描量热法(DSC)和热重(TG)曲线来研究 在加热过程中所发生化学反应，晶型转变及煅 烧温度等 SEM、TEM是来研究物质的形貌和粒径大小 吸附法来研究介孔材料的比表面和孔径分布
介孔材料的应用
介孔材料的应用
介孔材料是一种具有高度有序孔道结构的材料，其孔径在2-50纳米之间。
由于其独特的结构特点，介孔材料在多个领域具有广泛的应用前景。
本文将就介孔材料在催化、吸附、药物输送等方面的应用进行探讨。
介孔材料在催化领域有着重要的应用。
介孔材料具有大量的孔道结构，能够提供更多的活性表面积，增加催化反应的效率。
此外，介孔材料的孔径大小可调，可以用于不同尺寸的反应物分子。
这使得介孔材料在催化反应中具有更好的选择性和活性，有望取代传统的催化剂，成为未来催化领域的重要候选材料。
介孔材料在吸附领域也有着广泛的应用。
介孔材料具有高度有序的孔道结构，可提供大量的吸附位点，具有较大的吸附容量和高速的吸附速率。
这使得介孔材料在气体分离、水处理和废水处理等领域有着重要的应用前景。
例如，介孔材料可以用于去除水中的重金属离子、有机污染物等，具有较好的吸附性能和再生性能。
介孔材料还可以应用于药物输送领域。
介孔材料具有可调控的孔径大小和表面性质，可以用于载药和控释药物。
介孔材料可以将药物载入其孔道中，保护药物不被分解和降解，延长药物的血药浓度和作用时间，提高药物的生物利用度。
因此，介孔材料在药物输送系统中有着广阔的应用前景，可以被用于治疗癌症、炎症和感染等疾
病。
介孔材料具有广泛的应用前景，在催化、吸附和药物输送等领域都有着重要的应用价值。
随着材料科学的不断发展和进步，介孔材料的结构设计和功能化将会得到进一步的优化和完善，为其在各个领域的应用提供更加广阔的空间。
相信未来介孔材料将会成为材料科学领域的研究热点，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
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。
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。
介孔材料制备方法
介孔材料是具有高度有序的孔道结构和大比表面积的材料，广泛应用于催化、吸附、分离等领域。
以下是一种常见的介孔材料制备方法：
1.模板法（Template Method）：
●选择合适的模板剂，如表面活性剂、聚合物或胶体颗粒。
●将模板剂与溶剂和适当的硅源混合，并形成凝胶或溶胶状态。
●在适当的条件下进行热处理或化学处理，使凝胶或溶胶发生凝胶化、溶胶凝聚或自
组装，生成介孔结构。
●最后，通过高温煅烧或其他处理方法去除模板剂，得到具有介孔结构的材料。
2.水热法（Hydrothermal Method）：
●将适当的硅源和溶剂混合，形成溶胶状态。
●在高温高压的水热条件下进行反应，通过水热作用促使硅源在溶液中形成介孔结构。
●冷却后，收集和洗涤产物，经过干燥和煅烧等步骤，得到最终的介孔材料。
3.氧化物模板法（Oxide Template Method）：
●制备具有有序孔道结构的氧化物颗粒，如二氧化硅或氧化铝。
●将这些氧化物颗粒与硅源等混合，并形成凝胶状或溶胶状。
●在适当的条件下进行热处理或化学处理，使凝胶或溶胶发生凝胶化、溶胶凝聚或自
组装，生成介孔结构。
●最后，通过酸洗或其他方法去除氧化物模板颗粒，得到含有介孔结构的材料。
以上是常见的介孔材料制备方法之一，不同的方法适用于不同的材料和应用需求。
在实际制备过程中，可以根据具体情况进行调整和改进。
介孔及碳纳米材料
介孔及碳纳米材料介孔材料是一类具有大孔径（2-50纳米）和高比表面积（>100㎡/g）的多孔材料。
多年来，介孔材料在催化、吸附、分离等领域中得到了广泛应用。
碳纳米材料是一类由纯碳构成的纳米材料，具有独特的导电、热导、吸附等性质，在能源储存、催化、生物医学等领域也有重要应用。
本文将重点介绍介孔材料和碳纳米材料的制备方法、表征手段以及应用领域。
首先，介孔材料的制备方法有很多种，如溶胶凝胶法、硅溶胶微乳液法、水热法等。
其中，硅溶胶微乳液法是制备介孔材料最常用的方法之一、该方法利用氯乙烯、三丁基甲基溴化铵等表面活性剂将溶胶稳定在水溶液或有机溶剂中形成微乳液，然后通过添加沸石源或硅源，在高温下水热处理使溶胶凝胶形成介孔材料。
另外，模板法也是制备介孔材料的重要方法，将介孔材料的孔道结构通过模板剂的加入进行调控，可制备出具有特定孔径和形状的介孔材料。
表征介孔材料常用的手段有扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等。
SEM和TEM可以观察介孔材料的表面形貌和内部结构，从而得到材料的粒径大小和孔径分布。
XRD可以分析介孔材料的晶体结构，确定材料的晶相和杂质含量。
此外，氮吸附-脱附技术（BET）也是表征介孔材料孔隙结构的重要手段，通过测量材料在不同相对压力下的吸附量，计算得到孔隙体积和孔径分布。
接下来，我们将重点介绍介孔材料和碳纳米材料在催化、吸附和分离等领域的应用。
在催化领域，介孔材料主要用作催化剂的载体。
由于其高比表面积和孔隙结构的可控性，可以提高催化剂的活性和选择性。
例如，将贵金属催化剂负载到介孔材料上可以提高其稳定性和催化性能。
此外，还可以通过调控介孔材料的孔道结构和酸碱性质，设计出具有特定反应特性的催化剂。
在吸附领域，介孔材料可以用于废水处理、气体吸附等。
具有高孔隙度和大孔径的介孔材料可以有效吸附有机物、重金属等污染物，同时对流体流动的阻力较小，有利于吸附过程的进行。
hms介孔材料
hms介孔材料
HMS（中空介孔二氧化硅）是一种典型的中空介孔材料，具有蠕虫状结构。
这种材料的内部原子的排布是短程无序，长程有序的，其小角度部分的衍射峰仅仅反映了其孔道的有序性。
其氮气吸脱附曲线为典型的IV型吸附曲线，在$ P / P 0 = 0 . 4 \sim 0 . 6 $部分有非常明显的突跃以及相应的滞后环。
HMS材料在许多领域有着广泛的应用。
首先，在功能材料领域，可以通过在有序介孔材料的孔道内壁上接枝氯丙基三乙氧硅烷，得到功能化的介孔材料CPS—HMS，该功能性介孔分子筛去除水中微量的三氯甲烷等效果显著，去除率高达97%。
其次，在储能材料领域，有序介孔材料具有宽敞的孔道，可以在其孔道中原位制造出含碳或钯等储能材料，增加这些储能材料的易处理性和表面积，使能量缓慢的释放出来，达到传递储能的效果。
此外，HMS材料也可以作为催化及功能材料的优良载体。
将钛、银等金属物种引入HMS介孔材料，有利于实现钛、银金属物种的均匀分散，高效利用稀有或贵金属资源，提高紫外.可见光的利用效率和充分发挥钛氧化物的光催化性能。
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介孔材料
化学系 0801 顾天宇 09
介孔材料是指孔径为2.0～50nm的多孔材料,如气凝胶、柱状黏土、M41S材料。
按照化学组成分类，可分为硅基和非硅基两大类。
按照介孔是否有序分类，可分为有序和无序介孔材料。
介孔材料的制备主要有模板法、水热法、溶胶- 凝胶法等几种方法。
模板法： 1)阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂作模板剂,在介孔材料制备中的应用较为普遍,常采用三甲基季铵盐(ATMA)为结构导向剂,在水热体系中用合成时,通过改变合成条件可得到不同结构的介孔材料。
如Ch. Danumah等利用十六烷基三甲基氯化铵/十六烷基三甲基氢氧化铵和乳胶粒子作为模板剂,制备出具有中孔和大孔分层孔结构的硅基分子筛。
使用长链烷基季铵盐阳离子表面活性剂合成出的介孔材料比较单一,通常仅限于M41S型类似结构的介孔分子筛,孔径只有2～5 nm,孔壁较薄,提高材料的水热稳定性是其应用开发研究的首要问题。
闫欣等报道,以低聚季铵盐表面活性剂作为模板剂,在中性条件下,合成了结构高度有序的介孔硅铝酸盐材料MCM - 41。
由于低聚表面活性剂的端基电荷密度高、CMC值小、在水中的自组装能力强,因而可以在低温、低表面活性剂浓度下合成有序性较高的介孔材料。
2)阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂主要是长链烷基硫酸盐、长链烷基磷酸盐和羧酸盐等,常用于合成具有阳离子聚合过程的无机材料,如金属氧化物介孔分子筛的制备。
V. Luca等采用新的合成法,以价廉的十二烷基硫酸盐为模板剂,合成了具有蠕虫洞孔道的介孔二氧化钛。
该法分两步进行,第一步是十二烷基硫酸钠与TiCl3在水溶液中反应生成十二烷基硫酸钛,第二步是将合成的十二烷基硫酸钛溶于无水乙醇中,加入钛酸异丙酯调节硫酸盐比,最后在一定的湿度和空气流速下可获得介孔二氧化钛。
其热稳定性较差,但经改性后,可在300～400 ℃保持稳定。
3)非离子表面活性剂由于非离子表面活性剂在溶液中呈中性,氢键被认为是介孔相形成的驱动力。
长碳链伯胺是一类主要的非离子表面活性剂。
H. Yoshitake 等用长链烷基(C 分别为10,12, 16和18)伯胺模板剂,合成出螺旋形孔道的介孔TiO2光催化剂,其孔径随模板剂碳链的增加呈非线性增大,比表面积可达 1 200 m2 /g。
螺旋形孔道结构有利于反应物到达活性中心,从而改善了TiO2的光催化活性。
4)混合表面活性剂这类模板剂通常是将离子型表面活性剂与非离子型表面活性剂进行混合,以发挥出其各自的优势,由此对胶束大小和形状进行控制, 以更好地控制介孔材料的形貌。
M. M.Yusuf等以钛酸丁酯为钛源,盐酸为酸催化剂,以CTAC + PEG作为模板剂,制备
了介孔TiO2光催化剂。
研究表明,以CTAC + PEG作为模板剂,通过改变CTAC和PEG的量,可以很好地对介孔TiO2光催化剂的比表面积、孔径和孔容等孔结构进行控制。
5)非表面活性剂相对于表面活性剂,非表面活性剂作为模板制备介孔材料的报道并不多见。
Y. Wei等以葡萄糖、麦芽糖和酒石酸衍生物等非表面活性剂有机分子为模板,制备出高比表面积、孔径可调、窄孔径分布的介孔MCM - 41分子筛, 为介孔材料的制备提供了一种新的方法。
白青龙等以降解、胺化改性的木质素为模板,采用溶胶- 凝胶法合成了负载POM的木质素- 氧化硅复合体,高温烧结,制备了负载POM的氧化硅介孔材料。
水热法：水热法合成介孔材料,可以减少材料陈化的时间,提高材料的晶化程度,提高介孔材料的水热稳定性。
Wang Runwei等通过钛硅酸盐的组装作用,分别在碱性条件(氨水)和酸性(盐酸)条件下,利用水热反应合成出了介孔钛硅分子筛光催化剂。
实验表明,与传统的Ti - MCM - 41相比,它们具有较高的水热稳定性(沸水中的稳定时间超过100 h) 。
溶胶- 凝胶法：溶胶- 凝胶法具有反应过程易控制、设备简单、成本低,合成出的介孔固体纯度高、均匀性好、易于掺杂等优点。
高玲等采用溶胶- 凝胶- 热解工艺,以PEG - 400为结构导向模板剂, 合成出介孔WO3薄膜。
通过测试表明,所制备的介孔WO3薄膜材料为立方晶相,其平均孔径在6. 37 nm,比表面积高达20. 69 m2 /g。
除了模板法、水热法、溶胶- 凝胶法之外，用N. Perkas等以无机金属盐RuCl3为原料,在1, 2 - 亚乙基二醇环境中,利用超声化学法合成出了具有介孔结构的Ru掺杂TiO2 (Ru /TiO2 )光催化剂。
Zhang J ianling 等以乙醇为反应介质, PluronicP123作为模板剂,以钛酸丁酯为钛源,六水合硝酸铕为铕源,在相对较低的温度(120 ℃)下,用溶剂热法合成出介孔Eu2 O3 - TiO2 材料, 比表面积为275. 1 m2 /g, 平均孔径为11. 2 nm, 孔容为0. 851 cm3 /g。
E. Stathatos 等以Triton X - 100 作为模板剂,在环己胺溶液中形成反胶束,以AgNO3溶液为Ag源,以钛酸丁酯为钛源,合成出Ag掺杂的介孔TiO2薄膜光催化剂,Ag掺杂的效率较高,原子力显微镜研究还表明,制得的介孔TiO2颗粒呈单分散球形颗粒。
介孔材料可应用于择形吸附与分离，催化，电容、电极、信息储运，医药和基因工程等领域。
择形吸附与分离：介孔材料具有很高的比表面积和巨大的孔容, 且其组成和孔径可以灵活调节, 因而可实现对不同分子结构和不同体积分子的择形吸附和选择性分离。
介孔材料的这一特性在有害废气吸附与分离, 高效低成本处理生活污水和工业污水领域应用前景十分诱人。
如周治平等采用丙酮为共溶剂, 过氧化苯甲酰为引发剂, 在高度无序稻壳活性炭( RAC ) 的孔道表面聚合甲基丙烯酸( MMA) 得到了PMMA - RAC 复合介孔材料。
该种材料对苯酚、苯胺等有机污染物
的吸附性能明显优于RAC。
催化：介孔材料在催化领域应用显著。
由于其高的比表面积和规整孔道结构, 不仅自身可作为催化剂, 而且也可作为某些催化剂的优良载体。
如Qian Liu 等以非离子表面活性剂为模板, 以勃姆石溶胶为铝源合成了介孔Al2 O3。
作为催化剂载体, 它不仅可提高催化活性物种的分散性, 而且使催化效率和扩散传质作用显著增强。
JikaiLiu 等以三嵌段化合物P123 为模板剂, T i( OC4H9 ) 4为钛源制备出了介孔TiO2 , 仅仅在2h 内就可将邻苯二甲酸二甲酯光催化降解90%以上。
电容、电极、信息储运：介孔材料有极大的比表面积和丰富的孔道结构, 有利于其孔内离子的扩散。
利用介孔材料作电极可明显提高电荷迁移性能, 使电极可快速充放电。
同时某些介孔材料还具有较理想的电容行为。
如薛同以十六烷基聚氧乙烯( Brij56) 为模板剂, 利用简单氧化还原沉淀法制备的介孔氧化锰比电容值为200F/ g, 该种材料可用于制备性能优良的电化学电容器。
医药和基因工程：介孔材料的理化性质稳定、对人体无毒害性、比表面积大、孔径可调。
因而在医药和基因工程也有着独特的应用。
如一些介孔材料中的硅烷基可作为和有机客体分子反应的新活性位点, 有利于结合在活性位点上的药物均匀的分散在孔道内, 使介孔材料吸附药物并具有缓释作用, 从而有效的避免血药浓度出现峰谷现象。
同时, 介孔材料能够固定蛋白质酶, 可应用于基因转染技术领域。
介孔结构材料的合成与应用获得了很大的发展 ,但是很多问题逐有待进一步解决:通常介孔材料去除模板剂后会出现孔塌陷、孔径缩小、孔隙率和比表面积减小的现象,这会大大降低介孔材料的使用性能;介孔结构材料的组成和结构还比较有限,尤其是很多功能性介孔结构材料(如光电材料、电极材料、气体/生物传感材料等)还无法得到,而且大多数材料都是无定形的,这样就限制了它们在光、电、磁等方面的应用;目前使用的大多数模板剂价格昂贵。
因此,如何开发新的介孔结构、寻找新的合成方法,如何在保持材料的介孔结构的基础上提高材料的结晶性,优化和寻求介孔结构材料的功能性,如何利用价格合理的模板剂制备出孔结构稳定、孔隙率和比表面积较高的介孔材料及功能介孔材料将继续成为研究的热点。
另外,我国对介孔材料的研究主要集中于介孔材料的制备和模板剂的选择,与国外相比,对介孔材料制备过程中的有关机理及介孔材料的应用研究较少,因此我国应该扩大此类材料的应用研究,使其尽快走出实验室,实现产业化,转化为生产力,推动人类社会进步。
介孔材料具有独特的结构使其在很多领域有很好的应用前景，其研究涉及多学科的交叉，有关其合成方法、孔的形成机理、孔径调节、改性等已经成为学科研究热点，随着研究的深入，其应用领域必将随之扩大。