基于gemini表面活性剂的介孔钼、钨氧化物材料的制备、表征及机理研究
33页1、物理化学专业优秀论文物理化学专业优秀论文 基于基于 GeminiGemini 表面活性剂的介孔钼、钨氧化表面活性剂的介孔钼、钨氧化物材料的制备、表征及机理研究物材料的制备、表征及机理研究关键词:有序介孔材料关键词:有序介孔材料 GeminiGemini 表面活性剂表面活性剂 过渡金属氧化物材料过渡金属氧化物材料 钼氧化物钼氧化物 钨钨 氧化物氧化物摘要:有序介孔材料具有规则可调的纳米级孔道结构,孔径范围在 1.550nm 之间,突破了微孔分子筛的孔径限制(lt;1.5 nm) 。由于有序介孔材料是 以分子自组装形成的聚集体为模板合成,改变了以往以小分子作模板剂合成分 子筛的方法,为分子筛类材料合成带来了新的机遇。介孔材料在石油化工、生 物催化、吸附分离、光催化、环境保护、医药载体、光致发光材料、电极材料 和主客体化学等领域存在诱人的应用前景,受到了物理、化学及材料学等领域 研究者的高度关注,成为跨学科的研究热点之一。 本文以系列季铵盐型 Gemini 表面活性剂CmH2m+1N+(CH3)2-(CH2)2-N+(CH3) 2CmH2m+12Br(简写为 Cm-2-m,m=12,14 及
2、 16)为模板剂合成了有序介孔 钼氧化物及钨氧化物。利用 X 射线粉末衍射(XRD) 、扫描电子显微镜(SEM) 、 高分辨透射电镜(HRTEM) 、氮气吸附-脱附、热重分析(TGA)等技术,研究了 各种反应因素(表面活性剂/无机前驱体的比例、表面活性剂浓度、链长、合成 体系 pH 值、水热反应条件等)对合成介孔钼、钨氧化物结构及表面性质的影响。 利用表面张力、流变学测量、透射电镜、电导率、质子核磁共振等表征手段研 究了稀溶液中 Gemini 表面活性剂与乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)的相互作用, 并以 Gemini 表面活性剂/NazEDTA 复合体系为模板合成了高度有序的介孔钼、 钨氧化物材料。 以 C14-2-14 为模板剂,钼酸铵为无机前驱体制备得到的表 面活性剂-钼氧化物复合材料具有高度有序的层状介观结构,溶剂萃取除去表面 活性剂后,介观结构保持形成介孔材料,材料呈现片状外观。表面活性剂通过 离子交换的方式插入到多钼酸根的层状空隙中,在钼氧化物层间采用一种具有 一定倾斜角度的双层状排列。表面活性剂的相对含量越高,烷基链越长,所得 层状介观结构的层间距越大。表面活性剂浓度、
3、反应体系 pH 值及水热温度均对 钼氧化物介观结构的有序性有重要影响。较高的模板剂浓度、适中的 pH 及水热 温度有利于形成孔道有序性高的介观材料。相同条件下利用十四烷基三甲基溴 化铵(TTAB,可视为 C14-2-14 的单体)作为模板剂制备得到的介观钼氧化物有 序度较低,萃取除去 TTAB 后层状结构完全垮塌。Gemini 表面活性剂的强自组 装能力及与前躯体的强相互作用力使其成为比 TTAB 性能更加优越的模板剂。与 钼酸铵相比,以钼酸钠为前躯体得到的表面活性剂-钼氧化物介观材料孔道有序 性较差。就有序介孔材料的合成而言,钼酸铵是比钼酸钠性能更加优越的前驱 体。 以 C14-2-14 为模板剂,钨酸钠为无机前驱体制备得到的钨氧化物材料 具有高度有序的二维六方介孔结构,材料呈现规整的带状外观,孔壁由六方/正 交 WO3 的混合结晶组成。表面活性剂的相对含量、浓度、体系 pH 值及水热温度 对孔道的有序性及孔壁的结晶性有重要影响。相同条件下利用 TTAB 作为模板剂 制备得到的介孔钨氧化物水热稳定性较低,且孔壁组成为无定型材料。与 TTAB 相比,Gemini 表面活性剂是制备介孔钨
4、氧化物性能更加优越的模板剂。 利 用表面张力、流变学测量、透射电镜、电导率、质子核磁共振等表征手段研究 了稀溶液中 Gemini 表面活性剂与 Na2EDTA 的相互作用。EDTA2-能渗透进入C14-2-14 胶束的紧密层,将紧密层中的部分 Br-置换出去。相对 Br-来说, EDTA2-与 C14-2-14 之间的相互作用力更强,这使得 Na2EDTA 比 NaBr 对表面活 性剂溶液的影响更显著。EDTA2-的加入能屏蔽表面活性剂头基的正电荷,削弱 头基间的静电斥力,促进表面活性剂的排列更加紧密。这种促进作用随 EDTA2- 浓度的升高而增强,但超过某一限度值之后,继续增大 EDTA2-浓度不再对体系 产生明显影响。 以 C14-2-14/Na2EDTA 复合体系为模板在很低的表面活性剂 浓度下合成了高度有序的介孔钼、钨氧化物材料,并研究了 Na2EDTA 的加入对 介孔材料的孔道有序性及水热稳定性的影响。Na2EDTA/表面活性剂的摩尔比例 越大,所得材料的孔道有序性越高。Na2EDTA 与钼、钨原子的强烈的配位作用 使材料在经历高温水热处理过程时具有了结构上的支撑,其结构强度
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