基本信息
- 项目名称：
- 球形有序纳米双孔材料的组装
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 人们模仿生物矿物过程，采用生物有机体的模板机制，对无机矿物进行形貌复制，如通过结构导向剂模板可以人工合成各种形貌的无机多孔材料。本作品是一种纳米级别的具有双孔结构的氧化硅，大孔孔径为90nm左右，小孔孔径为13nm左右，并且大孔是在三维方向上有序排列，小孔在大孔间的孔壁上进行密堆积，整体上形成一种三维有序球形双孔氧化硅的网络结构。这种有序双纳米孔网络结构可作为载体，负载具有特定尺度的各种活性纳米粒子，构成高效催化剂，同时这种有序双纳米孔网也可在某些特定尺度的大分子物质的吸附、分离和催化过程中具有应用价值。
- 详细介绍：
- 本作品采用密堆积的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体晶体为模板，在PMMA微球有序排列的胶体晶体缝隙中，充填两亲嵌段共聚物(聚乙烯合丁烯－嵌－聚氧乙烯，PHB-PEO) 和正硅酸乙酯(TEOS) 的醇－水体系混合物，借助PHB-PEO特有的两亲模板性质及与硅物种的协同自组装作用，在PMMA胶体晶体微球的缝隙中，形成具有有序胶团排列的有机、无机孔壁结构，通过后续焙烧处理，可形成一种有序的双孔结构。透射电子显微镜(TEM)结果证实所合成的样品为有序球形双孔共存，球形大孔的孔径在90nm左右，并在三维方向上有序延伸排列，孔壁由13nm左右的球形小孔密堆积组成，并环绕大球形孔分布，整体上形成一种三维有序球形双孔氧化硅的网络结构。这种有序球形双孔结构相比于单一的介孔结构其优异性在于既可利用大孔通道增强大分子在孔道中的输送性能，又可利用在大孔壁上的介孔结构体现出相应的吸附和催化性能。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 通过一种双有机模板机制(聚合物微球与二嵌段共聚物)，复制出一种具有有序球形纳米双孔分布的氧化硅材料。与一般的双孔结构体系不同，这种球形双纳米孔结构的大孔孔径小于100 nm，小孔孔径在13 nm左右，且两种孔均为有序的球形孔。这种双纳米孔材料既有通畅的孔道结构又具有相应的吸附性能，可用于一些特定尺度大分子的吸附和分离过程，也可作为一些活性纳米粒子的载体。
科学性、先进性及独特之处
- 纳米多孔材料是当前材料化学研究的热点。目前报道的介孔-大孔双孔体系中，介孔一般为2~3 nm，大孔多数在300 nm以上。本文采用一种可控尺度的密堆积的胶体晶体微球为模板，构筑一种90 nm的大孔，并采用两亲嵌段共聚物为模板来构筑大孔孔壁上的介孔（13 nm），并致力于合成出具有纳米孔径(均处于100 nm以下)、双球形孔形态分布的特殊结构。这种特殊尺度分布的双纳米孔结构到目前为止未见报道。
应用价值和现实意义
- 双纳米孔材料既有通畅的孔道结构又具有高吸附性能，可用于一些吸附分离过程，尤其是大分子复杂体系的分离过程，如在污水处理等方面将具有显著的效能，因此这种新材料将具有潜在的应用价值。这种有序双纳米孔网络结构也可作为载体，负载具有特定尺度的各种活性纳米粒子，构成高效催化剂，同时，这种由聚合物微球模板和嵌段共聚物模板同时组装的体系将对双孔材料的构筑及本学科的理论研究具有重要意义。
学术论文摘要
- 以密堆积的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体晶体为模板，采用两亲嵌段共聚物(聚乙烯合丁烯－嵌－聚氧乙烯，PHB-PEO)与正硅酸乙酯(TEOS)的协同自组装过程，合成了一种有序的双孔结构氧化硅材料。用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和N2吸附-脱附实验等技术对样品进行了表征。结果表明，所制备的样品呈现一种由90nm左右的大球形孔在三维方向上有序排列和其孔壁由13nm左右的有序小球形孔密堆积组成的球形有序双孔氧化硅网络结构。
获奖情况
- 1.在学校第五届学生科技节暨第十六届学生课外学术科技竞赛作品中获一等奖； 2.在第五届云南高校青年学术科技节上获得一等奖（见附件）
鉴定结果
参考文献
- [1]C. T. Kresge, M. E. Leonowicz, W. J. Roth, et al. Ordered Mesoporous Molecular Sieves Synthesized by a Liquid-Crystal Template Mechanism[J]. Nature, 1992, 359: 710. [2]D. Zhao, J. Feng, Q. Huo, et al. Triblock Copolymer Syntheses of Mesoporous Silica with Periodic 50 to 300 Angstrom Pores[J]. Science, 1998, 279: 548. [3]徐如人, 庞文琴等. 分子筛与多孔材料化学[M]. 北京: 科学出版社, 2004. [4]A. Stein, Advances in Microporous and Mesoporous Solids - Highlights of Recent Progress[J]. Adv. Mater., 2003, 15: 763. [5]Z. Y. Yuan, B. L. Su, Insights into Hierarchically Meso–Macroporous Structured Materials [J]. J. Mater. Chem., 2006, 16: 663. [6]P. Yang, T. Deng, D. Zhao, et al. Hierarchically Ordered Oxides[J]. Science, 1998, 282, 2244 [7]A. A. Dong, Y. J. Wang, Y. Tang, et al. Mechanically Stable Zeolite Monoliths with Three-Dimensional Ordered Macropores through the Transformation of Mesoporous Silica Spheres[J]. Adv. Mater., 2002, 14: 1506
同类课题研究水平概述
- 人们模仿生物矿物过程，采用生物有机体的模板机制，对无机矿物进行形貌复制，如通过结构导向剂模板可以人工合成各种形貌的无机多孔材料。其中以两亲表面活性剂分子模板或或嵌段共聚物模板的自组装体系构筑的介孔材料研究已取得重大进展。介孔材料由于有序的孔道排列、均匀的孔径分布和较高的比表面积，已在催化、吸附、分离和微型电子材料等方面体现出极大的优势。近年来，以提高介孔功能特性的多级孔材料的开发引起了人们的重视，如同时含有介孔和大孔的双孔结构材料相比于单一的介孔可以既可利用大孔通道增强大分子在孔道中的输送性能，又可利用在大孔壁上的介孔结构体现出较强的吸附和催化性能。双孔结构材料一般采用双模板来制备。目前已有一些介孔-大孔双孔体系的合成报道。然而，介孔孔径多数在2~3 nm，大孔孔径在200~300 nm以上。本文采用一种密堆积的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体晶体为模板来构筑一种小于100 nm的大孔，并采用两亲嵌段共聚物(聚乙烯合丁烯－嵌－聚氧乙烯，PHB-PEO)为模板来构筑大孔孔壁上的介孔，并致力于合成出具有球形双孔形态分布的特殊结构。
