氨基改性介孔二氧化硅的制备及其吸附性能研究
第9期2007年9月
无机化学学报
CHINESEJOURNALOFINORGANICCHEMISTRY
Vol.23No.9Sep.,2007
氨基改性介孔二氧化硅的制备及其吸附性能研究
杨
娜
朱申敏*
张
荻
200030)
(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海
摘要:合成了一种具有较大孔径的氨基改性介孔二氧化硅材料(m-MCF)。通过XRD、低温氮吸附、TEM、TGA、FTIR以及原子吸收光谱(AAS)等表征方法对产物的结构和性能进行的分析表明:利用三甲基苯为扩孔剂制备得到的介孔材料具有较大的孔径,有利于功能基团对孔内表面的改性。当氨基改性介孔材料后,该材料仍然保留较大的孔径(22nm)和较高的比表面积(444m2・
g-1)。研究发现:与改性而未扩孔的介孔二氧化硅SBA-15相比,该材料对铜离子的吸附能力提高了2倍。
关键词:介孔材料;改性;扩孔;3-氨丙基三乙氧基硅烷;吸附中图分类号:O613.72
文献标识码:A
文章编号:1001-4861(2007)09-1627-04
MacroporousSilica:SurfaceModificationandAdsorptionProperties
YANGNaZHUShen-Min*
ZHANGDi
(StateKeyLaboratoryofMetalMatrixComposites,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030)
Abstract:macroporoussilicamaterialsweresurfacemodifiedbyagraftingmethodusingaminefunctionalgroups.Thestructureandphysicochemicalpropertiesofthematerialswerecharacterizedwithlow-angleXRD,N2adsorption-desorption,FTIRandatomicabsorptionspectrophotometry(AAS).Theobtainedmaterialsstillheldahighsurfaceareaof444m2・g-1andalargerporesizeof22nmaftertheporesurfacewasfunctionalizedwith3-aminopropyl-triethoxysilane(APTES).TheadsorptionpropertieswereinvestigatedbyCu2+removalfromaqueoussolutions.Theresultantmaterialsdemonstratedanimprovedadsorptioncapacity,whichisalmostthreetimesashighasthatofconventionalaminemodifiedmesoporoussilicaSBA-15.
Keywords:mesoporousmaterials;modified;pore-expanded;3-aminopropyltriethoxysilane;adsorption
高度有序介孔二氧化硅,如SBA-15、MCM-41和MCM-48,由于具有高的比表面积(1500m2・g-1),规整的孔结构等许多优点使其在大分子催化、吸附分离以及化学组装制备先进功能材料和光学器件等方面具有很大的潜在应用价值[1 ̄6]。其中,介孔二氧化硅用作废水中重金属离子的吸附和去除方面也得到了广泛的研究[7]。为了提高吸附能力,人们通常利用具有功能基团的化合物如3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES),或2-巯基噻唑啉等改性MCM-41或SBA-15的内表面,以期提供可以与金属离子形成配
收稿日期:2007-06-05。收修改稿日期:2007-07-30。
合物的官能团[8 ̄13]。最近,Wang等[14]在研究中发现,在相同条件下改性SBA-15对硼离子吸附性能是改性MCM-41的2倍,他们认为这是由于所制备的
SBA-15具有更大的孔径(约7nm),可以为下一步的改性提供大的空间。遗憾的是,即使是SBA-15,氨基改性后,其孔径也减小到4.2nm,孔容由0.94cm3・g-1大幅下降至0.29cm3・g-1,这就必然限制了材料在吸
附方面的应用。
本工作将扩孔与功能基团改性相结合,制备得到具有特殊三维较大孔道、表面氨基改性的介孔二
国家自然科学基金(No.50573013)和上海市科委(No.05ZR14077)资助项目。
*
通讯联系人。E-mail:smzhu@sjtu.edu.cn第一作者:杨
娜,女,23,硕士研究生;研究方向:纳米复合材料。
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无机化学学报第23卷
氧化硅材料,并研究了该材料对水溶液中金属铜离子的吸附性能。
后,回收的粉末再进行以上吸附,条件相同,如此循环3次。
1
1.1
实验部分
较大孔径介孔二氧化硅的制备
1.4表征
用日本RIGAKUD/max-rB型X射线粉末衍射仪表征合成材料晶相结构及其周期性排列(CuKα,石墨弯晶单色器,λ=0.15406nm,40kV,50mA,扫描速率为2°・min-1)。样品形貌分析是用日本JEOL2010(HT)型透射电子显微镜(TEM)观测样品的结构,加速电压200kV。红外光谱分析采用Nicolet205型
样品的比表面积和孔径红外光谱仪,KBr压片测定。
分布通过MicromeriticsASAP2010快速表面/孔结
构分析仪测定。利用德国NetzschSTA-429综合热分析仪测定样品的热失重(空气气氛,25 ̄800℃,升温速率20℃・min-1)。铜离子浓度采用原子吸收光谱仪
称取2.0g嵌段共聚物表面活性剂P123
(EO20PO20EO20,BASF公司),溶于75mL浓度为・1.6molL-1的盐酸中。置于室温下磁力搅拌1h后,滴入0.6g扩孔剂1,3,5-三甲苯(TMB),将反应温度上升至40℃搅拌30min。之后慢慢滴加4.4g正硅酸乙酯(TEOS),40℃下继续搅拌反应20h。将上述反应液转移到高压反应釜中,100℃晶化24h,得到的反应产物经抽滤、洗涤后,于80℃下烘干。将所得粉末置于马弗炉中,以1.5℃・min-1的速度升温至500℃,空气气氛中焙烧8h,得到焙烧产物,即孔径较大的介孔二氧化硅材料,称为MCF。(以上流程不加入扩孔剂TMB所得的产物称为SBA-15)。1.2氨基改性介孔二氧化硅的制备
分别取0.5gMCF,5mL3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)加入到50mL甲苯中80℃回流12h,过滤,乙醇洗涤,干燥,得到较大孔径的氨基改性介孔二氧化硅,称为m-MCF。(为比较吸附性能,另以同样配比对1.1中得到的SBA-15进行氨基改性,所得产物称为m-SBA-15),反应机理如scheme所示:
AAS-3710测定。
2
2.1
结果与讨论
XRD和TEM分析结果
图1(a)为m-MCF的XRD特征衍射峰,可以明
显地看到有一个强衍射峰,说明经过改性扩孔之后的介孔材料孔结构仍然保持着一定的有序度。这一
SchemeSchematicrepresentationoftheMCFmodificationprocess
1.3吸附实验
首先,为比较孔径对铜离子的吸附性能影响,分
别将20mg的m-MCF和m-SBA-15与20mL铜离子浓度为95.7mg・L-1的硝酸铜溶液混合,室温下搅拌24h,离心,上层清液取出用原子吸收光谱仪检测其铜离子浓度。
此外,为了分析氨基官能团对铜离子的吸附作用,我们对m-MCF进行了循环吸附实验。取
・100mgm-MCF与20mL浓度为303.8mgL-1的铜
离子溶液室温下搅拌24h,离心,上层清液取出分析。再将已经吸附铜的的粉末溶于200mL(pH=3)的硝酸溶液中搅拌60min,脱去铜离子。过滤,晾干
图1(a)m-MCF的XRD图;(b)m-MCF的TEM图(a)Low-angleXRDpatternofm-MCFsample;(b)TEMofm-MCFsample
Fig.1
第9期
杨娜等:氨基改性介孔二氧化硅的制备及其吸附性能研究
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点也被TEM所证实。图1(b)为m-MCF的TEM图。
有着类似于墨从图中看到,样品保持一定的有序度、
水瓶形状的孔结构,细胞状的孔与孔之间由一扇扇窗户相连[15],这种开阔的三维孔结构为材料最终用作吸附材料提供了良好的条件。XRD和TEM均有
力地证明,APTES改性后的较大孔径的介孔二氧化硅的孔结构没有被破坏,仍然具有一定的规整性。
2.2红外光谱和热失重分析
图2显示的是氨基改性前后介孔二氧化硅的红
外光谱图(m-MCF和MCF)。从图中可以看出,样品
m-MCF和MCF在1083cm-1处均有一个极强的宽吸收峰,此峰对应于介孔二氧化硅骨架中Si-O-Si的伸缩振动峰。利用3-氨丙基三乙氧基硅烷改性后(m-MCF),在1562cm-1处出现的新峰可归属为NH2的剪式振动峰,这证明APTES成功地嫁接到介孔二氧
化硅材料上。
图3(a)m-MCF的氮气吸附-脱附等温曲线(b)m-MCF的孔径分布曲线
Fig.3(a)Nitrogenadsorption-desorptionisothermsform-MCFsample;(b)Poresizedistributionofm-MCFsample
表1
m-MCF和MCF的氮吸附结果比较
Surface/・g-1)(m2
Table1
Sample
ResultsofN2adsorptionform-MCFandMCF
Poresize
Entrance/nm
Porevolume/・(cm3g-1)
Cavity/nm
224
图2m-MCF与MCF样品的红外谱图
m-MCFm-SBA15
444320
74
1.20.3
Fig.2FTIRspectraofm-MCFandMCFsamples
改性材料中APTES的含量,由样品的热失重曲线估算。温度由室温升至150℃,m-MCF孔道中自
由吸附的水分子逐渐脱出,对应的TG曲线上出现一个约5%的失重。温度达到200℃时,APTES中的有机基团开始分解。当温度继续升至800℃时,样品质量基本趋于稳定。计算得到m-MCF中APTES的含量约为总质量的14%。
料的孔结构。为了对比,我们未用扩孔剂合成了传统的六方结构介孔二氧化硅SBA-15,经过氨基改性后,孔径从7nm下降至4nm,几乎减小了一半,而孔容也只有0.3cm3・g-1,这必将影响材料吸附重金属离子。
红外,热失重,以及氮气吸附等都说明氨基官能团成功地修饰了材料的内表面,且保持着比较高的比表面积和孔容,这对材料的吸附性能的提高是相当重要的。
2.3氮气吸附分析
从m-MCF的氮气吸附-脱附曲线(图3a)看到,吸
附与脱附曲线转折点相差很大,可以证实这是典型的BdB类似于墨水瓶形状的孔结构[12]。比表面积、孔由表1可知,m-MCF的容和孔径分布结果列于表1。
比表面积达到444m2・g-1,瓶颈和瓶体的孔径分别约为7nm和22nm,孔容保持在1cm3・g-1以上,说明
介孔材料m-MCF的改性过程并没有很大地影响材
2.4氨基改性介孔二氧化硅的吸附性能研究为了研究孔径对吸附的影响,我们将改性扩孔
之后的二氧化硅材料(m-MCF)和改性未扩孔介孔材料(m-SBA-15)进行了比较。表2给出了两种材料对铜离子的吸附数据。我们可以看到,在同样初始浓度・95.70mgL-1的情况下,20mgm-MCF对铜离子的
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表2
无机化学学报第23卷
m-SBA-15和m-MCF对铜离子的吸附性能比较
Adsorptioncapacitiesofm-SBAandm-MCFonCu!
Cu2+
・・Initial/(mgL-1)Final/(mgL-1)
Table2
很大的。该结论与Wang等[11]的关于SBA-15和
MCM-41的吸附性能结果是一致的。
表3给出了3次循环吸附数据。第一次循环吸附结束后,溶液浓度从303.8mg・L-1减少到
Absorbentm-SBA15m-MCF
Removal/%
1335
95.7095.70
82.9561.35
・84.6mgL-1,移除量高达72%,利用硝酸解吸附后[16]的材料进行第二,第三次循环时,溶液浓度仅仅减少至242.5mg・・L-1和245.7mgL-1,移除量迅速减小,只有第一次循环移除量的1/3。原因可能是第一次吸附时,m-MCF孔道中中氨基含量均匀且较多,在吸附过程中大部分与铜离子发生螯合反应,所以能移除大量铜离子。第二,三次循环时,循环使用的介孔材料m-MCF中的氨基差不多耗尽,则吸附量急速减小,此时主要依靠孔道对铜离子的物理吸附。如果几次循环后想提高吸附能力,可对回收的吸附材料再次进行氨基嫁接。
吸附是35%,而m-SBA-15是13%,m-MCF的吸附
能力几乎是m-SBA-15的3倍。这可能因为未扩孔的SBA-15孔径与孔容均比较小,经过APTES改性后,部分孔道被堵,妨碍了铜离子的进入。而m-MCF的孔径和孔容(>1cm3・g-1)都很大,特殊的三维孔结构便于铜离子的进入,可以充分地和孔道表面的氨基基团接触。所以吸附性能比孔容小的m-SBA-15好。此结果证明,孔径对介孔材料吸附能力的影响是
表3
m-MCF对铜离子的循环吸收
Cu2+
Adsorbedamount/
%Removal
722019
Table3
Cycle123
Cu!Adsorption:CyclingandRegenerationoftheadsorbent
・Initial/(mgL-1)
・Final/(mgL-1)
Solution/Adsorbent/
・L-1)(mg
200200200
・L-1)(mg
43.812.311.6
303.8303.8303.8
84.6242.5245.7
这2个比较实验说明,要想扩大介孔二氧化硅材料在吸附领域的应用,改性和对孔径的控制的协同作用才可使介孔材料吸附性能大比例地提高。
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3
结论
以TMB为扩孔剂,通过氨基改性制备得到较大孔径的二氧化硅材料,从而合成具有一定规整孔结构,较大孔径,表面具有氨基官能团的复合介孔材料。并研究了此复合材料对铜离子的吸附性能。结果表明,开阔的三维孔道可以使铜离子更容易进入孔洞,充分地和氨基功能团发生螯合作用,物理吸附和化学吸附的结合较大地提高了材料的吸附能力。参考文献:
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