有机—无机杂化介孔硅基吸附材料的合成及应用研究

论文摘要

有机-无机杂化介孔硅基材料是近年来新发现的一类功能材料，具有比表面积高、孔体积大、介孔孔道均匀且可调控等优点，在催化材料、吸附材料、药物控释、能量存储与转化、传感器件等领域有潜在的应用前景，因此，介孔二氧化硅功能材料的制备与应用研究是当前化学化工、材料学、物理学和生命科学领域的研究热点之一。在自然资源日益紧张，强调环境保护和可持续发展的今天，金属的富集回收和再利用具有非常重要的意义。吸附分离技术是一种简单有效且环境友好的回收金属方法，其关键是合成高效的吸附剂。本文以有机-无机杂化介孔硅基材料的合成和介孔二氧化硅的接枝改性为基础，开展了材料的合成、结构表征和金属离子吸附分离的系统研究。在酸性和碱性条件下，分别以嵌段共聚物(EO20PO70EO20)和十六烷基三甲基溴化铵为模板剂，制备了孔壁中嵌有不同含量（0-15％）对苯二亚脲基的周期性介孔有机氧化硅材料（PMOs）。酸性条件下制备的PMOs具有二维六方柱状孔道结构。孔壁中亚脲基之间存在氢键作用，并且随亚脲基含量增加，氢键作用增强。其中PMO0．2的形貌呈较均匀的棒状。碱性条件下制备的PMOs不但具有较高的比表面积，而且具有“蠕虫状”的双介孔孔道结构。在酸性和碱性条件下制备的PMOs，对酸性溶液中的Au（Ⅲ）都具有良好的吸附性能。“蠕虫状”双介孔孔道结构使更多的有机基团暴露在PMOs表面，具有更快的吸附速率和更大的吸附量。在吸附过程中，Au（Ⅲ）能够与对苯二亚脲基相互作用，自动还原为金单质并沉积在PMOs表面。通过均相接枝法将吡唑嫁接在直径为4-6μm球形介孔二氧化硅（SMS）孔道表面，得到介孔吸附材料pyrazole-SMS。pyrazole-SMS对溶液中的AuCl4-、PdCl42-和PtCl62-离子具有较好的吸附性能，最大吸附量分别为89．4mg/g，40．0mg／g和44．7mg/g，吸附平衡时间为20分钟。介孔孔道有助于提高吸附速率。通过一步或二步接枝法，将氨丙基、咪唑和1，2，4-三氮唑接枝在SBA-15孔道表面，制备出NH2-SBA-15，Imi-SBA-15和Tri-SBA-15。不同接枝基团使材料在溶液不同pH值时具有零电势点。三种材料对Cr（Ⅵ）离子均有良好的吸附性能，NH2-SBA-15对Cr（Ⅵ）的最大吸附量达405mg／g。正负电荷吸引和配位作用是吸附过程的推动力。有机基团接枝量越大，吸附量也越大；空间位阻效应大的有机基团使吸附速率减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 无机多孔材料
• 1.2 有序介孔二氧化硅的发展简史
• 1.2.1 有序介孔二氧化硅的合成方法
• 1.2.2 有序介孔二氧化硅的合成机理
• 1.2.3 有序介孔二氧化硅的形貌控制
• 1.2.4 有序介孔二氧化硅的规模制备
• 1.2.5 有序介孔二氧化硅的功能化
• 1.3 周期性介孔有机氧化硅材料简介
• 1.3.1 周期性介孔有机氧化硅材料的合成
• 1.3.2 周期性介孔有机氧化硅材料的扩展与应用
• 1.4 非硅基介孔材料的合成
• 1.4.1 介孔碳材料
• 1.4.2 介孔金属氧化物
• 1.4.3 介孔硫族元素化合物和半导体
• 1.5 有序介孔二氧化硅的应用研究
• 1.5.1 催化剂及催化剂载体
• 1.5.2 吸附材料
• 1.5.3 药物控释
• 1.5.4 传感器件
• 1.6 硅基吸附剂对金属离子的吸附脱除与富集
• 1.7 本课题研究思路与内容
• 2 实验部分
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 样品的表征方法
• 2.3.1 X射线粉末衍射测试
• 2.3.2 比表面积和孔径分析
• 2.3.3 扫描电子显微镜
• 2.3.4 透射电子显微镜
• 2.3.5 核磁共振
• 2.3.6 傅立叶红外光谱
• 2.3.7 元素分析
• 2.3.8 Zeta电位测定
• 2.3.9 电感耦合等离子体发射光谱
• 3 酸性条件下Ureylene-PMOs的合成及Au（Ⅲ）吸附性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 桥联硅烷的合成
• 3.2.2 PMOs的合成
• 3.2.3 Au（Ⅲ）吸附实验
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 桥联硅烷的表征
• 3.3.2 PMOs的结构表征和讨论
• 0.1的吸附性能'>3.3.3 PMO_0.1的吸附性能
• 3.4 本章小结
• 4 碱性条件下Ureylene-PMOs的合成及Au（Ⅲ）吸附性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 PMOs的合成
• 4.2.2 Au（Ⅲ）吸附实验
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 PMOs的结构表征与讨论
• 0.1的吸附性能'>4.3.2 PMO_0.1的吸附性能
• 4.4 PMOs制备过程的影响因素分析
• 4.5 本章小结
• 5 球形介孔二氧化硅的改性及贵金属离子吸附性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 吸附剂的合成
• 5.2.2 贵金属离子吸附实验
• 5.3 pyrazole-SMS结构表征与讨论
• 5.4 pyrazole-SMS的吸附性能研究
• 5.5 本章小结
• 6 SBA-15表面改性及Cr（Ⅵ）吸附性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 SBA-15的合成
• 2-SBA-15的合成'>6.2.2 NH₂-SBA-15的合成
• 6.2.3 Imidazole-SBA-15的合成
• 6.2.4 Triazole-SBA-15的合成
• 6.2.5 Cr（Ⅵ）的吸附实验
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 样品的结构表征与讨论
• 6.3.2 改性SBA-15的吸附性能
• 6.4 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士期间发表学术论文情况
• 致谢