化学工程学院
新产品开发训练报告
2011-12
课题名称: 有序介孔碳的合成 课题类型: 设计/论文 班 级: 姓 名: 学 号: 指导教师:
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(使用讲明:设计
第一部分 文献综述
1.1 介孔材料的定义及研究背景
依照国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的定义,多孔材料(porous material) 可分为微孔材料、介孔材料和大孔材料。孔径>50nm的孔为大孔(macropore),孔径<2nm的孔为微孔(micropore),孔径介于2nm~50nm的孔为介孔(mesopore)。有序介孔材料是以表面活性剂分子聚拢体为模板,通过有机物和无机物之间的界面作用组装生成的孔道结构规则、孔径介于2~50nm的无机多孔材料。
沸石分子筛用作催化剂被认为是石油催化领域的一次革命。这是因为在石油炼制工业中,许多催化加工过程如催化裂化、催化重整、加氢裂化等,由于使用了沸石催化剂,都有了新的突破。ZSM型沸石在烃类的催化降凝、异构化、歧化、芳构化等方面的广泛应用,以及随之而来的其它各种类型微孔分子筛的开发和应用,给众多的石油催化工艺注入了新的活力。 这些孔类(0.3~1.0nm)分子筛之因此在吸附、分离以及择形催化方面具有如此专门的功能,在于它们的晶体内部一般有均匀的孔道相通,并具有专门大的内表面积以及较强的酸性等特点。尽管如此,由于在众多的催化加工过程中,常常还会遇到一些较大分子的加工问题。如重质油的催化裂化、大分子物质的吸附分离、大环状配合物的固载等。显然,现有的一些微孔
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分子筛就不能满足要求了。因此,急需解决超大分子筛或者介孔材料的制备问题。
同时,随着染料与印染工业的进展,其生产废水已成为当前最要紧的水体污染源之一。染料作为环境重要污染源,其种类多、污染量大、结构复杂且多数染料为有毒难降解有机物,化学稳定强,具有致癌、致畸、致突变的“三致”作用,而有序介孔材料在多相催化、吸附与分离、环境爱护、功能材料等领域极具应用潜力。因此,寻求新型的有序介孔材料成为国际上跨学科的研究热点之一。
近年来,无机化学家们在分子筛合成的基础上,致力于孔径较大的孔性材料的研究和开发,取得了一些突破性进展,合成了一系列介孔(2.0~50.0nm)材料,为解决上述问题提供了新的希望。
除此之外,近年来还陆续开发了适用于各种不同应用目的的多孔炭材料新品种,除作为吸附、分离材料外,作为催化材料、电子能源材料、生物工程材料的应用也陆续得到研究和开发。 1.2介孔材料的分类 1.2.1按其结构不同分
介孔材料按其结构不同科分为六种,其中较为常见的有:MCM-41,其空间群为D6m;立方相的MCM-48,空间群为Ia3d;层状稳定的MCM-50。另外,还有六方相的SBA-1,空间群为PM3n;三维六方结构的SBA-2,空间群为
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P6m/mm;无序排列的六方结构的MSU-n,空间群为P6m。表1-1列出了不同孔道结构的介孔材料。
表1-1 不同孔道的介孔材料
孔道结构特征
晶系
典型材料
MSU-n,HMS,KIT-1 MCM-50
MCM-41,SBA-3,FSM-16,TMS-1 SBA-8,KSW-2
SBA-1,6,16;FDU-2,12;SBA-11 SBA-2,7,12,FDU-1
SBA-16,MCM-48,FDU-5,HUM-7 CKM-1,HUM-1 无
有序程度低,多为一维 接近六方 一维层状(无孔道) 二维(直孔道)
/ 六方
四方
三维(笼形孔道,孔穴) 立方
立方-六方共生 三维交叉孔道 二维交叉孔道
立方 四方 三方(斜方)
1.2.2 按照其化学组成分
介孔材料可分为硅基和非硅基两大类。后者要紧包括过渡金属氧化物、磷酸盐和硫化物等。由于它们一般存在可变价态,展示出硅基介孔材料所不能及的应用前景,但其热稳定性较差,煅烧时容易造成介孔结构塌陷,合成机理也不完善,因此对它的研究不如硅基介孔材料活跃。 1.2.3按照介孔是否有序分
介孔材料可分为无定形(无序)介孔材料和有序介孔材料。前者如一般的SiO2气凝胶、微晶玻璃等,孔径范围较大,孔道形状不规则;后者是以表面活性剂形成的超分子结构为模板,利用溶胶- 凝胶工艺,通过有机物
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