袁恩輝 邢俊玲 逄俊玲 姜淑華 蔣金剛＊, 張 坤＊,

(1華東師范大學化學與分子工程學院，上海市綠色化學與化工過程綠色化重點實驗室，上海 200062)

(2南開大學化學學院，先進能源材料化學教育部重點實驗室，天津 300071)

M41S系列介孔分子篩材料，包括一維六方孔道結(jié)構(gòu)的MCM-41、三維立方拓撲結(jié)構(gòu)的MCM-48以及層狀結(jié)構(gòu)的MCM-50，最早由Mobil公司在1992年研發(fā)成功[1-3]。由于該材料具有規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)、較大的比表面積(～1 000 m2·g-1)和孔容(1．0 cm3·g-1)以及可以調(diào)變的孔徑尺寸(2．0～50 nm)，在催化、吸附和分離領(lǐng)域引起了人們廣泛的研究興趣。其中，MCM-48具有三維連續(xù)的孔道結(jié)構(gòu)，相對于一維孔道的MCM-41介孔材料，在分子擴散方面具有較大的優(yōu)勢和應用前景。但是MCM-48的合成相區(qū)狹窄，合成條件比較苛刻，重現(xiàn)性差，從而限制了MCM-48的廣泛應用。

文獻報道的MCM-48的主要合成策略包括：使用單一的陽離子表面活性劑，如十六烷基三甲基溴化銨 (CTABr)，表面活性劑與硅的物質(zhì)的量之比在0．65～1．5之間，該合成方法成本較高且后處理過程中有大量難于處理的泡沫產(chǎn)生，產(chǎn)物的分離比較困難[4-5]；采用混合模板劑的合成策略可以有效地降低陽離子表面活性劑的用量，但是兩種模板劑的物質(zhì)的量之比難于控制，以致于得到的MCM-48介孔分子篩有序性不高[6-7]；通過合成新型的表面活性劑，如Gemimi表面活性劑也可以降低表面活性劑的用量，但是該表面活性劑合成程序復雜、產(chǎn)率低，不利于應用于大規(guī)模介孔分子篩的合成[8-10]；最近張金龍課題組報道了利用F-作為無機礦化劑可以有效合成出高質(zhì)量的MCM-48介孔材料，但是濾液中大量氟離子的排放對環(huán)境是不友好的[11-12]。另外，十六烷基三甲基溴化銨 (CTABr)作為模板劑分子合成的MCM-48介孔材料通常具有水熱穩(wěn)定性差的缺點，550℃焙燒6 h或沸水中回流處理12 h后大部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)塌陷，阻礙了其進一步的相關(guān)應用。從上述的報道可見，現(xiàn)有的合成方法存在制備條件苛刻、成本高、污染大以及最終產(chǎn)品的水熱穩(wěn)定性不高等缺點，因此改進MCM-48的現(xiàn)有合成方法是MCM-48制備研究的首要任務。最近我們課題組報道了使用新型的十六烷基三甲基對甲基苯磺酸銨鹽(CTATos)作為有機模板劑，可以高效、低成本的合成不同拓撲結(jié)構(gòu)的介孔分子篩，如一維六方結(jié)構(gòu)的MCM-41介孔分子篩、正交結(jié)構(gòu)的SBA-8介孔分子篩、立方結(jié)構(gòu)的MCM-48介孔分子篩以及顆粒尺寸小于100 nm的介孔二氧化硅納米顆粒(MSNs)[13-17]。該合成策略具有以下優(yōu)點：表面活性劑的用量低(物質(zhì)的量之比nCTATos/nSiO2≤0．1)，并且產(chǎn)品在抽濾收集過程中不產(chǎn)生大量泡沫，簡化了介孔材料的合成工序；通過準確調(diào)控反應條件，實現(xiàn)了顆粒大小以及孔徑尺寸的精確調(diào)控；得到的介孔材料的熱和水熱穩(wěn)定性比較高，但是對該類介孔材料合成機理的研究缺乏深入的了解。

在本文中，利用十六烷基三甲基對苯磺酸銨鹽(CTATos)作為模板劑成功制備了具有立方結(jié)構(gòu)的MCM-48介孔分子篩，SEM和TEM的表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)：起始相為具有P6mm一維拓撲結(jié)構(gòu)的MCM-41介孔分子篩，隨著晶化時間的延長介孔六方相(MCM-41)經(jīng)立方相 (MCM-48)最終轉(zhuǎn)變成層狀相(MCM-50)，其中MCM-48為中間相。同時XRD的表征結(jié)果證明介孔的孔壁結(jié)構(gòu)隨著晶化時間的延長也發(fā)生了周期性的變化，由MCM-41和MCM-48原子無序的非晶結(jié)構(gòu)向類沸石分子篩的原子有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，這個結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的合成機制尚未有文獻報道。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：NaOH(AR)，天津科密歐化學試劑有限公司；硅溶膠(無鈉型，30%)，浙江宇達化學試劑公司；十六烷基三甲基對甲基苯磺酸鹽 (CTATos)，德國MERCK集團公司。

儀器：采用Bruke公司D8 ADVANCE X-射線粉末衍射儀測定樣品的晶相結(jié)構(gòu)，Cu靶，Kα輻射源，管電壓40 kV，管電流40 mA，λ(Cu Kα1)=0．154 06 nm，λ(Cu Kα2)=0．154 44 nm，比例為 0．497。樣品的孔結(jié)構(gòu)采用Quanta chrome公司的Autosorb3-B的自動物理吸附儀進行測定。樣品的形貌采用日本日立公司Hitachi S-4800冷場高分辨率發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM)進行測定。TEM測試：所用電子束電壓200 kV，樣品研細后用乙醇-水制成懸浮液，超聲分散后滴加在銅網(wǎng)上進行分析。傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)采用美國Nicolet公司的Nexus 670型傅立葉變換紅外光譜儀測試。29Si魔角旋轉(zhuǎn)固體核磁共振譜在Varian 400-MR核磁共振儀上測得，頻率為59．6 MHz，采用直徑為4 mm轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為3 kHz，弛豫延遲時間為600 s。

1.2 實驗過程

該合成策略與傳統(tǒng)介孔分子篩的唯一不同之處就是使用具有較低臨界膠束濃度的十六烷基三甲基對甲基苯磺酸銨鹽 (CTATos)作為模板劑分子[13-17]。該表面活性劑的陰離子為對甲基苯磺酸根離子(Tos-)，而不是常用的Br-離子。Tos-作為陰離子具有如下特點：相對于傳統(tǒng)陽離子表面活性劑，CTATos的臨界膠束濃度 (critical micelle concentration，簡寫CMC)較低，從而減少了模板劑的用量；該陰離子具有較大的動力學半徑和疏水性，可以有效改變表面活性劑分子的有效堆積常數(shù)(即所謂的g值)。典型的合成過程如下：首先將2．10 g NaOH加入到盛有68 mL去離子水的燒杯中，然后加入17．42 g硅溶膠，在60℃下恒溫攪拌1 h，得到溶液A；將2．70 g十六烷基三甲基對甲基苯磺酸銨鹽(CTATos)加入到盛有80 mL去離子水的燒杯中，60℃下恒溫攪拌1 h至溶液變澄清，得到溶液B；將溶液A逐滴加入到溶液B中，繼續(xù)在60℃下恒溫攪拌2 h，得到白色沉淀(該混合物中各物質(zhì)的物質(zhì)的量之比為nSiO2∶nCTATos∶nNaOH∶nH2O=1∶0．068∶0．60∶102)；將該混合物冷卻至室溫后，轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯反應釜中，在130℃的恒溫干燥箱中進行晶化，控制晶化時間，制備得到具有不同拓撲結(jié)構(gòu)的介孔分子篩。所得產(chǎn)物經(jīng)過抽濾、洗滌、烘干，得到最終產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

圖1為在同一晶化溫度，不同晶化時間下所合成的材料的XRD圖。圖1(a)中，當晶化時間較短時(8 h)，存在3個明顯的衍射峰，可歸屬為MCM-41的 3 個特征衍射峰(100)，(110)和(200)，為一維六方相(P6mm)結(jié)構(gòu)[13]。繼續(xù)延長晶化時間得到的是MCM-41和MCM-48的物理混合相。當晶化時間延長為24 h，在2θ為2．28°處可以清晰地觀察到較強的(211)晶面衍射峰，同時在 2θ=2．15°～3．10°處可以觀察到(220)晶面的肩峰，在 2θ=4°～5°處出現(xiàn)多個重疊的衍射峰，說明該樣品為具有三維立方結(jié)構(gòu)的MCM-48(Ia3d)介孔分子篩[5-12]。24 h 后，部分 MCM-48相開始轉(zhuǎn)化形成層狀相，將晶化時間進一步延長到48 h時，得到的材料可歸屬為純的層狀的MCM-50介孔分子篩[5]。XRD的結(jié)果表明，晶化時間是影響不同介孔相形成的主要因素，并且隨著晶化時間的延長，介孔材料由六方相經(jīng)立方相最終轉(zhuǎn)化為層狀相。說明高度有序的MCM-48介孔材料的合成是經(jīng)過相轉(zhuǎn)變的方式實現(xiàn)的。

圖1 130℃合成溫度下改變晶化時間所合成樣品的XRD圖:(a)原粉的小角XRD,(b)原粉的廣角XRD和(c)樣品焙燒后的XRD圖Fig．1 XRD patterns of samples synthesized at 130 ℃ for varied crystallization time:as-synthesized samples at low-angle range of XRD patterns(a),assynthesized samples at high-angle range of XRD patterns(b),and calcined samples at high-angle range of XRD patterns(c)

通常介孔材料的孔壁具有非晶的結(jié)構(gòu)，即廣角XRD不具備特征的衍射峰，只有在2θ為20°時出現(xiàn)一個較寬的無定形二氧化硅特有的“Halo”峰(Halo為“光暈”的意思，在這里特指介孔材料的孔壁具有非晶的無定形結(jié)構(gòu))。然而，在當前合成樣品中，隨著晶化時間的延長，樣品的廣角XRD表明，合成的該系列介孔材料的孔壁結(jié)構(gòu)隨著其拓撲結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化也發(fā)生了明顯的改變(圖1b)。當晶化時間為8 h，在XRD的高角度區(qū)域出現(xiàn)了明顯的類似于沸石分子篩的衍射峰，但是強度非常的弱，表明MCM-41孔壁具有一定的原子有序性。隨著晶化時間的延長(24 h)，即當MCM-48介孔相形成時，在廣角XRD上，僅僅在20°左右出現(xiàn)一個單一的“Halo”峰，表明MCM-48的孔壁結(jié)構(gòu)是完全無序的，即介孔材料孔壁的原子有序性完全消失。進一步延長晶化時間(48 h)，轉(zhuǎn)化為層狀相時，廣角XRD圖上單一的“Halo”峰完全劈分成2個非常明顯的晶體衍射峰，并且2θ在12°～20°之間出現(xiàn) 4個明顯的晶體特征衍射峰，表明介孔的孔壁又完全轉(zhuǎn)化為類沸石分子篩的晶體結(jié)構(gòu)，具有非常高的原子有序性。550℃焙燒樣品后樣品的廣角XRD在2θ為12．5°處的衍射峰非常明顯(圖1c)，說明這些層狀的類沸石分子篩結(jié)構(gòu)單元具有較高的水熱穩(wěn)定性?？傊琗RD的研究結(jié)果表明介孔的相轉(zhuǎn)變過程同時伴隨著介孔材料孔壁結(jié)構(gòu)由原子無序向有序轉(zhuǎn)變的變化過程。

隨著晶化時間的改變，所合成介孔材料的形貌也發(fā)生了明顯的變化(圖2)。晶化時間為8 h時，所得MCM-41介孔材料為管狀形貌，且顆粒尺寸主要集中在 2．0～5．0 μm 之間(圖 2a)。當晶化時間為 24 h時，MCM-41介孔材料的大部分管狀形貌消失，顆粒為不規(guī)則的球狀，顆粒尺寸集中在200～500 nm之間(圖2b)，與文獻的報道結(jié)果完全一致[18]。對該樣品SEM圖片的仔細觀察發(fā)現(xiàn)，該樣品中仍然存在少量的類似于管狀形貌的顆粒 (數(shù)理統(tǒng)計的結(jié)果顯示這些管狀形貌的顆粒大約占了總顆粒數(shù)的5%)，但是基本顆粒尺寸遠遠小于1．0μm，說明MCM-41向MCM-48相轉(zhuǎn)化的過程中伴隨著二氧化硅溶解的過程。但該樣品的XRD中不存在任何的MCM-41介孔相的衍射峰，說明這些管狀顆粒來不及經(jīng)歷外部形貌轉(zhuǎn)換，直接在顆粒內(nèi)部由六方結(jié)構(gòu)的MCM-41轉(zhuǎn)化成具有立方結(jié)構(gòu)的MCM-48，由此說明不規(guī)則的MCM-48球形顆粒的形成直接來自于管狀形貌MCM-41的介孔相，介孔結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)變過程可能是通過固-固轉(zhuǎn)化的機理進行的，文獻借助于高分辨的透射電鏡(HRTEM)表征和結(jié)構(gòu)模擬也證明這個假設(shè)[1,19-20]。進一步延長晶化時間至48 h，球形的MCM-48介孔材料完全轉(zhuǎn)化成由納米片狀顆粒聚集而成的橄欖形MCM-50層狀相，顆粒高度單分散，且尺寸集中在2．0μm左右。

圖2 不同晶化時間下所合成樣品的SEM圖Fig．2 SEM images of samples synthesized at 130 ℃ for varied crystallization time

圖3 不同晶化時間下所合成樣品的HR-TEM圖Fig．3 High resolution TEM images of samples synthesized at 130℃for varied crystallization time

利用高分辨的透射電鏡(HR-TEM)我們對當前介孔材料的孔結(jié)構(gòu)信息也進行了深入的表征(圖3)。較短的晶化時間(8 h)，得到的介孔材料為典型一維六方結(jié)構(gòu)，介孔的孔徑大約為3．0 nm，并且選區(qū)電子衍射證明，介孔材料的孔壁為典型的非晶結(jié)構(gòu)(圖3a)。而得到的MCM-48介孔材料為典型的三維立方相結(jié)構(gòu)，而且孔結(jié)構(gòu)高度有序，選區(qū)的電子衍射證明，孔壁的組成與MCM-41相同，不具有任何的原子有序性(圖3b)，與廣角的XRD表征結(jié)果一致。進一步延長晶化時間，MCM-50層狀相的孔壁組成發(fā)生了明顯的變化，選區(qū)電子衍射呈現(xiàn)明顯衍射斑點，類似沸石分子篩晶體的選區(qū)電子衍射花樣 (圖3c)。我們通過硅烷化擴孔柱撐技術(shù)結(jié)合紅外以及固體核磁共振表征，確定MCM-50的孔壁具有層狀硅酸鹽Octosilicate的結(jié)構(gòu)，更加詳細的實驗結(jié)果將會后續(xù)報道。

通過控制不同的實驗條件，不同的課題組發(fā)現(xiàn)了介孔材料由六方相(MCM-41)經(jīng)立方相(MCM-48)向?qū)訝钕?MCM-50)，甚至反向(MCM-50→MCM-48→MCM-41)的轉(zhuǎn)化過程[21-23]，但是孔壁由非晶相的原子無序向類分子篩的原子有序的轉(zhuǎn)變過程以及相轉(zhuǎn)化機制還未見文獻報道。而此類原子有序的MCM-50介孔分子篩可以作為層狀分子篩材料制備擴孔型分子篩的有效前驅(qū)體[24]。

圖4 樣品焙燒后氮氣吸-脫附等溫線(左)和BJH孔徑分布圖(右)Fig．4 N2 adsorption-desorption isotherms(left)and BJH pore size distribution curves(right)of calcined samples synthesized at 130℃for varied

氮氣的吸-脫附曲線表明(圖4)合成的MCM-48和MCM-41介孔材料為典型的Ⅳ型吸附等溫線，具有較高的表面積和孔容(表1)。由于孔道結(jié)構(gòu)高度有序，具有典型的H1型遲滯環(huán)結(jié)構(gòu)。MCM-50焙燒以后，由于結(jié)構(gòu)的坍陷，片狀結(jié)構(gòu)堆積形成了具有多級孔結(jié)構(gòu)H3遲滯環(huán)結(jié)構(gòu)，并且表面積和孔容明顯減小，分別為 421 m2·g-1和 0．51 cm3·g-1，與文獻報道的結(jié)果一致[5]。很明顯，僅通過調(diào)控晶化時間，利用相轉(zhuǎn)變的合成策略，我們可以比較容易地合成具有不同拓撲結(jié)構(gòu)的介孔分子篩，為介孔分子篩的高效制備提供了一種可以借鑒的方法。

圖5所示為不同晶化時間下所合成樣品的FTIR譜。在FT-IR譜圖高波數(shù)區(qū)，2 922和2 852 cm-1處的衍射峰為模板劑的特征吸收峰，與文獻報道的研究結(jié)果一致[13-17]。然而在低波數(shù)區(qū)400～1 300 cm-1之間，隨著晶化時間的延長，紅外圖譜卻發(fā)生了明顯的變化。當MCM-48介孔相完全轉(zhuǎn)化為MCM-50層狀相時，2個新的特征峰在605和1 208 cm-1處的位置出現(xiàn)，并且1 237 cm-1的吸收峰明顯變得尖銳，暗示介孔材料的孔壁結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化。低波數(shù)區(qū)特征吸收峰的出現(xiàn)通常預示著沸石分子篩初級結(jié)構(gòu)單元環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成[25-27]，表明當前MCM-50骨架結(jié)構(gòu)為原子有序的，與前述XRD的表征結(jié)果相吻合。另外，更為重要的是在介孔孔道內(nèi)我們發(fā)現(xiàn)了大量表面活性劑陰離子對甲基苯磺酸根離子(Tos-)的存在(825和686 cm-1處)，且隨著晶化時間的延長Tos-含量明顯減小。

表1 不同晶化時間下所合成樣品的孔結(jié)構(gòu)信息Table 1 Textural properties of samples synthesized for varied crystallization time

圖5 不同晶化時間下所合成樣品的FT-IR圖譜Fig.5 FT-IR spectrum of samples synthesized at 130℃for varied crystallization time

29Si的固體魔角自旋核磁共振的結(jié)果(圖6)進一步驗證了我們上述的結(jié)果，隨著晶化時間的延長，硅物種的縮聚程度明顯提高，Q3的比例從1.6降到0.9，即表面的硅氧負離子基團(≡SiO-)明顯減少。并且在MCM-50形成以后，Q3和Q4完全劈分成2個尖銳的吸收峰，說明MCM-50結(jié)構(gòu)中硅物種的環(huán)境發(fā)生了明顯的變化。實際上，只有傳統(tǒng)沸石分子篩材料才具有類似的吸收峰，即當前合成的MCM-50的孔壁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一定的原子有序性。因此結(jié)合紅外和固體Si核磁的表征結(jié)果以及表面活性劑的有效堆積參數(shù)g(g=V/(a0l))，V代表表面活性劑分子的鏈及鏈間助溶劑所占的總體積，a0代表表面活性劑極性頭所占的有效面積，l代表表面活性劑長鏈的有效長度；當g在1/3至1/2之間生成MCM-41，1/2到2/3之間生成MCM-48，接近1時生成MCM-50層狀相。)，我們推斷MCM-48的形成機制如下：由于體積較大的對甲基苯磺酸根離子(Tos-)具有較強的疏水性，對陽離子表面活性劑分子具有較強的結(jié)合作用，在表面活性劑膠束和無機硅界面形成了陰陽離子對{CTA+Tos-}，反應開始時，大量體積較大的Tos-物種存在，由于空間效應表面活性劑極性頭所占的有效面積a0明顯增加，即g值減小，容易形成具有P6mm的二維六方相；隨著反應時間的延長，Tos-物種容易流失在孔道中的量逐漸減小，從而a0隨之減小，導致g值變大，最終經(jīng)Ia3d立方相向?qū)訝钕嘟Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。

圖6 不同晶化時間下所合成樣品的固體29Si MAS NMR圖譜Fig.6 Solid 29Si MASNMR spectrum of samples synthesized at 130℃for varied crystallization time

3 結(jié) 論

以十六烷基三甲基對甲基苯磺酸銨鹽(CTATos)為模板劑，通過水熱合成的策略實現(xiàn)了具有不同拓撲結(jié)構(gòu)純硅介孔分子篩的合成。X-射線衍射、高分辨掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、N2吸-脫附實驗、Fourier變換紅外光譜和29Si的固體魔角自旋核磁共振等測試手段對所合成材料的研究結(jié)果表明：三維立方拓撲結(jié)構(gòu)的MCM-48介孔分子篩形成是通過相轉(zhuǎn)變的合成方式進行的，并且最終得到MCM-50層狀相，具有類沸石分子篩的原子有序結(jié)構(gòu)。結(jié)合表面活性劑的有效堆積參數(shù)g推斷了該相轉(zhuǎn)變發(fā)生的形成機制。我們最新的研究結(jié)果表明原子有序的MCM-50是一種新型的層狀結(jié)構(gòu)沸石分子篩前驅(qū)體，利用后合成改性的方法，如層間柱撐，可以合成擴孔型的新型沸石分子篩，相關(guān)研究工作正在開展當中。

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