硅酸钠层柱材料的制备及特性研究

论文摘要

层柱材料是近年来新兴的一个概念,是指利用层状结构物质的可膨胀、层间离子可交换等物化特性,通过离子交换等方式在层间域引入一些特定的大体积的离子、离子团或分子,形成支柱将层间域稳定撑开,从而生成的一类孔径较大、孔结构相对规整的新型的分子型的复合多孔材料,广泛应用于催化剂及其载体、择形吸附剂、离子吸附剂、离子导体、电极、传感器和光功能材料等领域。其中层状结构的物质被称为层柱材料的前躯体（也称为母体）,引入的物质被称为柱化剂（也称为客体）。层状硅酸盐矿物因其特有的天然结构,成为制备层柱材料的理想前驱体。以层状硅酸盐为前驱体制得的层柱材料,被称为硅酸盐层柱材料。麦羟硅钠石（Na2Si14O29·xH2O）是一种层间域离子单一、层间高度均匀的层状硅酸盐,是一种结构非常理想的层柱材料前驱体。本实验选用麦羟硅钠石为前驱体,通过离子交换法制备有机和无机柱撑的麦羟硅钠石层柱材料。首先以水玻璃和NaOH为主要原料,通过水热合成法制备麦羟硅钠石,并讨论了反应温度、反应时间、阴离子种类和阳离子种类等因素对反应产物的影响。XRD分析表明,当反应温度为160℃、反应时间为48h时,产物为结晶度好且较纯的：nagadiite相,层间距约为1.54nm。通过离子交换法,对麦羟硅钠石进行酸化改性,制备H-magadiite。XRD分析表明,当H+浓度为0.1mol/L、反应时间为24h时,所制得H-magadiite的层间距较大,约为1.32nm。选用十六烷基三甲基溴化铵（C16TMABr）为有机柱化剂,通过离子交换法制备有机柱撑的麦羟硅钠石层柱材料。随C16TMABr添加量的不断增加,C16TMA-magadiite的层间距不断变大；当C16TMABr的添加量为2.5CEC时,C16TM A-magadiite的层间距达到最大值,约为3.10nm。通过SEM和FT-IR等表征手段对所得柱撑产物进行了分析,均表明客体离子已进入前驱体的层间域。根据十六烷基三甲基溴化铵的理想结构参数和柱撑产物的层间距分析,推测烷基长链在层间域可能的排列方式。选用聚合羟基铝离子（Al13Keggin离子）为无机柱化剂,分别采用一步反应法和多步反应法制备无机柱撑的麦羟硅钠石层柱材料。XRD分析表明,通过多步反应法可制得层间距为4.258nm的A113-magadiite.通过TG-DTA手段对麦羟硅钠石及其柱撑产物的热稳定性进行对比分析。结果表明,C16TMA+的插入减弱柱撑产物的耐热性,而Al13Keggin离子的插入能够提高柱撑产物的耐热性。C16TMA-magadiite和Al13-magadiite的层状结构能够保持稳定的极限温度分别为380℃和720℃。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 层柱材料的概念及分类
• 1.1.1 层柱材料的相关概念
• 1.1.2 层柱材料的分类
• 1.2 层柱材料的发展简史
• 1.2.1 层状硅酸盐的结构特征
• 1.2.2 层状硅酸盐的分类
• 1.2.3 层柱材料的发展简史
• 1.3 层柱材料的制备方法及影响因素
• 1.3.1 层柱材料的制备方法
• 1.3.2 柱撑反应的热力学分析
• 1.3.3 柱撑反应的影响因素
• 1.4 层柱材料的应用
• 1.4.1 催化材料
• 1.4.2 吸附材料
• 1.4.3 分离材料
• 1.4.4 纳米级复合材料
• 1.5 层柱材料的发展趋势
• 1.6 本课题的提出及主要研究内容
• 1.6.1 母体的选择
• 1.6.2 客体的选择
• 1.6.3 主要研究内容
• 第二章 实验方案
• 2.1 实验仪器与试剂
• 2.2 magadiite及其柱撑产物的制备
• 2.2.1 magadiite的制备
• 2.2.2 H-magadiite的制备
• 2.2.3 C16TMA-magadiite的制备
• 13-magadiite的制备'>2.2.4 Al₁₃-magadiite的制备
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 BET法
• 2.3.3 扫描电子显微镜分析（SEM）
• 2.3.4 红外光谱分析（FT-IR）
• 2.3.5 差热-热重分析（TG-DTA）
• 第三章 反应条件对magadiite的影响
• 3.1 反应条件对magadiite的影响
• 3.1.1 反应温度的影响
• 3.1.2 反应时间的影响
• 3.1.3 阴离子的影响
• 3.1.4 阳离子的影响
• 3.2 反应条件对H-magadiite制备的影响
• 3.3 magadiite和H-magadiite的表征
• 2吸附-脱附分析'>3.3.1 N₂吸附-脱附分析
• 3.3.2 SEM分析
• 3.3.3 FT-IR分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 客体添加量对C16TMA-magadiite的影响
• 4.1 C16TMABr的添加量对C16T-magadiite制备的影响
• 4.2 C16TMA-magadiite的表征
• 4.2.1 FT-IR分析
• 2吸附-脱附分析'>4.2.2 N₂吸附-脱附分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 C16TMA-magadiite的层间域结构模型
• +的空间尺寸和构型'>5.1 C16TMA⁺的空间尺寸和构型
• 5.2 进入层间域的客体形式
• 5.3 C16TMA-magadiite层间域结构分析
• 5.4 本章小结
• 13-magadiite制备的影响'>第六章 制备方法对Al₁₃-magadiite制备的影响
• 13Keggin离子结构'>6.1 Al₁₃Keggin离子结构
• 13Keggin离子的制备'>6.2 Al₁₃Keggin离子的制备
• 13-magadiite制备的影响'>6.3 制备方法对Al₁₃-magadiite制备的影响
• 6.3.1 正向滴定法
• 6.3.2 反向滴定法
• 6.3.3 二次柱撑法
• 13-magadiite的表征'>6.4 Al₁₃-magadiite的表征
• 6.4.1 FT-IR分析
• 2吸附-脱附分析'>6.4.2 N₂吸附-脱附分析
• 13-magadiite的制备原理'>6.5 Al₁₃-magadiite的制备原理
• 6.6 本章小结
• 第七章 magadiite及其柱撑产物的热稳定性
• 7.1 magadiite的热稳定性
• 7.2 C16TMA-magadiite的热稳定性
• 13-magadiite的热稳定性'>7.3 Al₁₃-magadiite的热稳定性
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的科研成果