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M(Al,Zr,Bi)-PHTS合成、表征及其催化性能

贾志奇

  近年来,新材料领域急速的发展极大促进了结构可控多孔材料的技术进步。与传统多孔材料(粘土、分子筛等)相比,一种具有微孔-介孔交联、高水热稳定性能的PHTS (plugged hexagonal templated silica or plug-containing SBA-15)介孔材料受到众多科研工作者的关注。 文献报道,纯硅PHTS是在高酸度体系(2mol/L)、以三嵌段共聚物P123为结构导向剂、加入大量硅前驱体(硅/P123>84)条件下合成。典型PHTS材料显示二维六方晶相结构,具有0.69 cm3/g的孔体积,7.2 nm的孔径,0.24 cm3/g的微孔孔体积。将PHTS与SBA-15合成方法相比较,不难发现尽管二者具有相近的水热合成步骤,但合成PHTS硅前驱体用量至少是合成SBA-15用量的1.5倍,显然,大量的硅前驱体易产生过度孔道堵塞,引起材料孔径、比表面积的降低;此外,在铝、锆掺杂改性PHTS合成介孔固体酸过程中,高酸度的合成体系会阻碍铝、锆金属离子的掺杂,影响纯硅PHTS的改性,限制了催化应用。针对M(A1, Zr, Bi)-PHTS的合成,研究低酸度体系,以P123为结构导向剂、在有别于文献硅前驱体用量的条件下,探讨高比表面积、大孔径PHTS介孔材料的合成、改性及其催化应用具有重要理论和实践意义。本论文主要研究结果包括: 提出低酸度条件下,以P123为模板剂,通过引入少量甲苯影响硅前驱体与模板剂胶束的协同作用,合成PHTS介孔材料的方法。经XRD、TEM、氮气吸附-脱附等表征,证实所得材料与文献报道PHTS具有相同的结构、织构特征。与文献报道PHTS相比,本法所制PHTS具有更高的比表面积、大的孔径。比表面积91 0 m2/g,孔径10.0 nm,孔容1.0 cm3/g,适合用来制备催化材料,用于催化大分子参与的反应。通过系统考察PHTS的合成条件,结合表征结果,提出了PHTS的合成机理。在低酸度体系、甲苯的引入是合成PHTS材料的关键因素。低酸度溶液中,P123模板剂形成由疏水性内核和亲水性外层组成的胶束,由于甲苯具有较强的极性和较大的分子动力学直径,引入的甲苯一部分会进入胶束的内核,提高了胶核的疏水性,增加了胶束的体积,有利于材料孔径的扩大;另一部分会吸附在胶束的栅栏层,降低了胶束外层的亲水性,使硅源水解速率降低,在合成六方介观结构的同时,也使部分硅源未得到完全水解聚合,最终得到微孔介孔交联的PHTS材料。 在研究纯硅PHTS合成基础上,在低酸度体系中原位引入铝、锆物种直接合成了Al-PHTS、Zr-PHTS回体酸材料。典型硅铝比为15的Al-PHTS具有六方晶相结构,显示独特的二阶脱附等温线特征,比表面积655 m2/g,孔容0.78 cm3/g,孔径7.3 nm;典型硅、锆比为30的Zr-PHTS同样具有六方晶相结构,显示独特的二阶脱附等温线特征,比表面积902 m2/g,孔容1.0 cm3/g,孔径9.7 nm。与文献报道结果相比,显示更大的孔径,具有中等的酸性,可用于固体酸催化反应。 以四氢呋喃催化聚合为探针反应,考察了Al-PHTS、Zr-PHTS的催化聚合性能。结果表明,具有中等强度酸性、介孔孔径的PHTS固体酸材料显示出良好的催化四氢呋喃聚合性能。选用Al-PHTS催化剂,考察了改性PHTS催化四氢呋喃聚合反应工艺条件。结果显示,在催化剂用量为四氢呋喃单体量的50%,反应温度40℃、反应时间6h条件下,具有良好的催化性能;选用上述优化的聚合工艺条件,比较了Al-PHTS、Zr-PHTS的催化性能,Zr-PHTS显示较高的催化活性,主要是由于Zr-PHTS具有更大的孔径、较强的酸性;选用Al-PHTS进行了催化聚合的稳定性试验,结果显示,重复使用11次,收率稳定在45%(同样反应条件,工业催化剂收率25%),分子量约1760,聚合物可用作氨纶生产原料。上述结果表明,Al-PHTS、Zr-PHTS固体酸具有良好的催化四氢呋喃聚合性能,说明具有较大孔径、中等酸度的介孔固体酸材料适合催化合成中等分子量聚四氢呋喃,用作氨纶生产原料。 在PHTS金属掺杂改性合成Al-PHTS、Zr-PHTS固体酸基础上,借鉴PHTS合成方法,尝试选用特定有机功能团前驱体合成有机无机杂化材料。选用P123为结构导向剂、选择含氯磺酰功能团的硅前驱物与TEOS共缩聚直接合成了磺酸改性SBA-15材料,显示部分PHTS特征。该方法克服了文献报道磺酸基团改性SBA-15材料合成中因氧化剂或者无机酸加入使改性SBA-15有序性降低的问题。改性SBA-15样品具有较大的比表面积(619-897 m2/g),大的孔容(0.46-1.95 cm3/g)。吡啶吸附红外光谱测试显示改性材料主要以B酸为主。这一合成方法的关键,是引入了含磺酰氯的前驱体,其水解产生低酸度酸性体系,促进硅源水解,并与氧化硅聚合物缩聚合成磺酸改性SBA-15。显而易见,这是一种环境友好、简便有效的介孔磺酸基氧化硅材料的合成方法。 在改性PHTS合成介孔固体酸材料的基础上,探讨了铋改性PHTS材料的制备。在低酸度体系中,原位引入铋物种,水热合成了Bi-PHTS介孔材料,所得Bi-PHTS样品具有典型的PHTS介孔材料的特征,显示出高比表面积、大孔径的特点。探索性制备了负载铜的Bi-PHTS催化材料,在甲醛炔化反应中显示良好的催化性能。 总之,本文提出的低酸度体系中合成PHTS介孔材料是一种行之有效的方法。深入探讨PHTS材料的合成、改性及其催化应用是一项有价值的研究工作。……   
[关键词]:PHTS;介孔材料;有机溶剂;改性;催化应用
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:山西大学2011年
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