多孔材料的合成化学名师优质课获奖市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,多孔材料,多孔材料,第1页,1.多孔材料与它分类,多孔材料,是一个含有气孔固体材料，普通来说，气孔在多孔材料体中所占体积分数在20%到95%之间。,多孔材料,能够是晶体或是无定形，它们被广泛地应用在吸附剂，非均相催化剂，各类载体和离子交换剂等领域。其孔洞多，空阔结构和巨大表面积加强了它们催化和吸附等能力。,第2页,多孔材料分类,按结构分类可分为,无定形材料、晶体材料,和,次晶材料,三种。,无定形材料,有硅胶、氧化铝胶、交联粘土、层柱状结构材料、活性炭、分子筛等；,晶体材料,包含沸石、氧化硅大孔材料、类沸石材料等；,次晶材料,是介于无定形材料与晶体材料之间，二者共存。,第3页,多孔材料分类,超微孔材料,(孔径0.7nm),微孔材料,(0.7nm孔径2nm),介孔材料,(2nm孔径50nm),宏孔,（大于1m）,按,孔径大小,分,第4页,多孔材料分类,按,制备工艺及成品形貌,分为,泡沫多孔材料、蜂窝多孔材料,和,网眼多孔材料,。,泡沫多孔材料,第5页,多孔材料分类,蜂窝多孔材料,网眼多孔材料,第6页,2.多孔材料特点,微孔材料(沸石与分子筛)特点,介孔材料(中孔分子筛)特点,大孔材料特点,第7页,沸石与分子筛特点,沸石：严格定义是一类结晶硅铝酸盐微孔结晶体,分子筛：含有选择性吸附能力材料,第8页,沸石与分子筛骨架结构,沸石含有三维空阔骨架结构，骨架是由硅氧四面体SiO4,4-,和铝氧四面体AlO4,5-,经过共用氧原子连接而成，它们被统称为TO4四面体（基本结构单元）。全部TO4四面体经过共享氧原子连接成多元环和笼，被称之为次级结构单元（SBU）。这些次级结构单元组成沸石三维骨架结构，,骨架中由环组成孔道是沸石最主要结构特征,。,第9页,在骨架中硅氧四面体是中性，而铝氧四面体则带有负电荷，骨架负电荷由阳离子来平衡。骨架中空部分（就是分子筛孔道和笼）可由阳离子、水或其它客体分子占据，这些阳离子和客体分子是能够移动，阳离子能够被其它阳离于所交换。分子筛骨架硅原子与铝原于摩尔百分比经常被简称为硅铝比（SiAl，有时也用SiO,2,Al,2,O,3,表示)。,沸石与分子筛骨架结构,第10页,这些沸石分子筛普通含有以下,特点,：,在分子筛骨架结构中形成许多有规则孔道和空腔；,在孔道和空腔中阳离子是能够交换，经阳离子交换后，能够使分子筛催化及吸附性能产生较大改变。,第11页,介孔材料(中孔分子筛)特点,介孔材料主要特征：,含有规则孔道结构；,孔径分布窄，且在,1.330nm,能够调整；,经过优化合成条件或后处理，可含有很好热稳定性和一定水热稳定性；,颗粒含有规则外形，且可在微米尺寸保持高度孔道有序性。,第12页,大孔材料特点,普通依据其孔隙有序程度，将大孔材料分为,胶凝材料,和,有序大孔材料,。,胶凝材料,特点是含有极大比表面积，气孔率高，孔径约为100nm，属于非晶材料；,有序大孔材料,则含有三维规则结构，孔隙率高，孔径大，分布均匀，排列周期性较强。,第13页,多孔材料特殊性质,骨架组成可调性；,非常高表面积和吸附容量；,吸附性质能被控制；,酸性或其它活性中心强度和浓度能被调整,孔道规则且孔径大小恰好在多数分子尺寸范围之内；,孔腔内能够有较强电场存在；,第14页,3 惯用多孔无机材料制备方法,沉淀法,，固体颗粒从溶液中沉淀出来生成有孔材料；,水热或溶剂热合成法,，,如沸石制备；,热分解方法，,经过加热除去可挥发组分生成多孔材料；,有选择性溶解掉部分组分；,在制造形体（薄膜、片、球块等）过程中生成多孔（二次孔）,。,溶胶-凝胶法,化学腐蚀法,多层自组装双重模板,有控制破坏；,聚合物作模板剂；,乳浊液作模板剂；,第15页,介孔和大孔材料孔径控制：主要合成方法,现在有许多合成方法可被用来合成介孔材料和大孔材料，如按产物孔直径分类，主要有以下几个：,2nm，使用不一样链长表面活性剂作模板剂；,2 7nm，高温合成；,4 7nm，二次合成合成后水热处理；,4 10nm，使用带电表面活性剂和中性有机物；,4 11nm，二次合成水-胺合成后处理；多层自组装有控制破坏；,2 30nm，聚合物作模板剂；,50nm乳浊液作模板剂；,150nm，胶体颗粒模板剂晶化。,101000nm,多层自组装双重模板,其它非模板方法合成多孔材料多孔氧化铝、多孔碳材料、气凝胶、层柱材料,第16页,4 多孔材料合成机理,分子筛转化机理,介孔材料合成机理,多孔材料合成机理,第17页,固相转变机理,液相转变机理,双相转变机理,液相中硅酸根与铝酸根离子聚合反应,阳离子模板效应,4.1 分子筛转化机理,第18页,固相转变机理,固相转变机理也称之为固相机理，是指沸石晶化过程总是伴伴随无定形凝胶固相形成，无定形凝胶结构重排成为沸石，液相不参加晶化过程。,简单说，在晶化过程中既没有凝胶固相溶解，也没有液相直接参加沸石成核与晶体生长。在凝胶固相中，因为硅铝酸盐骨架缩聚、重排而造成沸石成核和晶体生长。,第19页,固相转化机理示意图,第20页,液相转变机理,液相机理认为沸石晶体是从溶液中生长，初始凝胶最少是,部分地溶解,到溶液中，形成溶液中,活性硅酸根和铝酸根离子,，它们又深入连接，组成沸石晶体结构单元，而且逐步形成沸石晶体。,多数情况下真正机理可能是有固相参加液相机理。,第21页,液相转化机理示意图,第22页,4.2 介孔材料合成机理,介孔材料合成机理研究，主要存在两种观点，即,液晶模板机理(简称LCT),协同作用机理(简称CFM),第23页,LCT机理：介孔材料合成是以表面活性剂生成液晶相为模板。(A),CFM机理认为表面活性剂液晶相是在加入无机物之后形成。(B),第24页,4.3 大孔材料合成机理,首先，乳胶粒或聚合物微球自组织地或在特殊条件下聚集排列成某种三维有序晶态结构，即胶体晶体；然后无机氧化物前驱液经过毛细作用力渗透在胶体晶体空隙中，溶胶-凝胶反应后，干燥，以除去溶剂，用高温焙烧或溶剂萃取除去聚合物颗粒，剩下与胶体晶体结构呈反演有序大孔材料。,三维有序孔孔径大小可经过模板剂颗粒粒径大小来调整,第25页,4.多孔材料应用,a.高效气体分离膜；,b.化学过程催化膜；,c.高速电子系统衬底材料；,d.光学通讯材料先驱体；,e.高效隔热材料；,f.燃料电池多孔电极；,g.电池分离介质和电极；,h.燃料(包含天然气和氢气)存放介质；,i.环境净化选择吸收剂；,j.可重复使用特殊(HEPA-型)过滤装置。,主要应用范围包含,第26页,消声器,多孔材料含有,丰富孔隙,，当声波传输到多孔材料上时，在网状孔隙内引发空气振动，进而经过空气与多孔材料基体之间摩擦，,声波能量转变成热能而被消耗，从而到达消除噪声,效果。,如：,安装在汽车排气管中间蜂窝状多孔材料，用来降低汽车排气管噪音。,一些新型建筑材料也广泛采取多孔泡沫陶瓷作为墙体材料。,第27页,过滤与分离,多孔材料饰演着,“环境净化使者”,角色。,使用多孔材料，让废气或废液经过多孔体，其中有害物质颗粒物就会被拦截或者吸附在多孔结构中，而净化后气体或液体就能够排放到自然界中了。,第28页,蜂窝陶瓷过滤尾气作用机制,柴油车尾气颗粒物过滤路径是让尾气经过一个“壁流式”蜂窝陶瓷。,第29页,催化剂载体,很多污染物都需要在催化剂作用下进行催化处理，不过催化剂必须涂覆在一个载体上才能有效起作用。,在多孔材料基体上形成高比表面积过渡层材料，然后将催化剂负载于这层高比表面积过渡层上，就组成了一组催化反应器。,多孔材料支撑体起到了提供催化反应器和分散催化剂主要作用，而且支撑体本身性能优劣(化学稳定性、热稳定性等)将直接影响到催化剂效能发挥。,第30页,保温隔热材料,多孔材料含有,较高气孔率,和,较低基体导热系,数，所以这种材料含有很好,隔热保温,效果。利用多孔材料这种优点能够将其用于各种预防热辐射场所，以及用于保温节能方面，所以从环境保护和节能两方面来说都是有利。,采取多孔材料建筑材料能够让房屋含有非常好保温隔热效果；航天器热保护系统就广泛采取了多孔材料,第31页,5.多孔材料研究展望,多孔材料合成，关键问题是怎样控制孔大小、形状和分布，以及在孔道中引入功效基团和功效分子。,功效化、大孔径、多维交叉、复杂孔道分子筛合成仍是分子筛研究热点之一。,第32页,多孔材料合成展望,所谓介孔复合体就是将纳米尺寸金属或非金属超微粒(或分子)用物理或化学方法放入介孔固体各个孔(或笼)内复合而成固体。它是纳米颗粒和介孔固体二者联合体，所以，介孔复合体兼有纳米颗粒和介孔固体一些独特征能。,(1)介孔复合体,第33页,理想材料是保持介孔结构同时，又含有沸石型孔壁结构强酸性复合材料。含有介孔和微孔结构复合分子筛成为近年来沸石研究人员颇感兴趣一类新材料,。,(2)复合分子筛,第34页,因为多孔材料含有特殊性能，在催化材料和吸附材料应用方面显示出巨大应用潜力。所以对多孔材料定向设计合成，含有主要意义。多孔材料定向设计合成，首先要依据性能要求，设计出晶体孔道模型，然后借结构孔道数据库帮助来选择和制订理想模型及其稳定存在条件，最终在借合成反应库指导，选择合成方案和修饰路径。,(3)定向设计合成,第35页,