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介孔二氧化硅材料的簡介

介孔材料是一種孔徑介于微孔與大孔之間的新型材料。國際純粹和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(IUPAC)根據(jù)孔徑大小的不同，將多孔材料分為三類：小于2nm的為微孔(microporous)材料；介于2-50nm的為介孔(mesoporous)材料；大于50nm的為大孔(macroporous)材料。

多孔材料的孔徑分類圖

介孔材料依照化學(xué)組成，可分為硅基和非硅基兩大類。非硅基介孔材料主要包括過渡金屬氧化物、磷酸鹽和硫化物等。相較非硅基介孔材料，硅基介孔材料的研究更為成熟。硅基介孔材料具有孔道結(jié)構(gòu)規(guī)則，孔徑分布狹窄等特點，廣泛應(yīng)用于分離提純、吸附、催化、傳感、藥物裝載及緩釋等領(lǐng)域。

介孔二氧化硅材料的分類和特點

介孔二氧化硅材料的應(yīng)用

介孔二氧化硅材料具有優(yōu)異吸附材料的特性：孔道結(jié)構(gòu)有序性；孔徑分布單

一性和可調(diào)控性，介孔形狀多樣性。使其在吸附分離，工業(yè)催化、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護等領(lǐng)域具有極為重要的作用。

（1）較高的比表面積和較大的孔體積，使其可以作為藥物載體或催化載體應(yīng)用于醫(yī)藥和催化領(lǐng)域。

（2）孔徑呈單一分布，并且調(diào)控范圍寬，使其可以作為可控反應(yīng)器制備半導(dǎo)體材料。

（3）獨特的孔壁結(jié)構(gòu)和微觀形貌，使其在光學(xué)和電學(xué)領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用前景。

（4）熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性良好，同時表面附有大量硅羥基，可以進行表面化學(xué)改性，使其成為一種很有前途的新型復(fù)合載體。

介孔二氧化硅材料的改性

介孔二氧化硅材料表面含有大量羥基，表面能量較高，很容易團聚，影響有機體的分散，均勻性變差，導(dǎo)致組裝材料的利用率明顯降低。因此，進行改性能降低其表面能量，有效的提高分散率。改性的方法很多，有表面物理修飾和表面化學(xué)修飾兩大類。

表面物理修飾主要通過吸附，包裹等物理作用，利用紫外線，等離子體等手段對粒子的表面進行改性。

表面化學(xué)修飾主要利用偶聯(lián)劑進行改性。通過含有機官能團的偶聯(lián)劑與介孔二氧化硅材料作用，將功能官能團以共價鍵方式嫁接到介孔材料孔壁上，實現(xiàn)介孔二氧化硅材料的功能化。常用的表面化學(xué)修飾方法有兩種：共縮聚法和后嫁接法。

共縮聚法(co-condensation)，即一步制備法，是在模板劑作用下，將有機偶聯(lián)劑與無機源同時加入到體系中，在生成介孔結(jié)構(gòu)的同時將官能團引入到孔道中。

共縮聚法制備介孔二氧化硅材料

優(yōu)點：可以制備負載量較高，分散均一的功能化介孔二氧化硅材料。

缺點：制備條件是酸性或堿性，許多偶聯(lián)劑在這種條件下極不穩(wěn)定，容易分解或變性。同時，引入的官能團量過大也將破壞材料介孔結(jié)構(gòu)的形成。

后嫁接法(post-synthesis)是先制備介孔二氧化硅材料，再將偶聯(lián)劑加入到已制備的介孔二氧化硅材料中，在有機溶劑中回流。

后嫁接法制備介孔二氧化硅示意圖

特點：反應(yīng)通常在氮氣保護下進行，能夠抑制偶聯(lián)劑自身水解，整個修飾過程不會破壞介孔材料本身的結(jié)構(gòu)，還能很好的控制功能化程度，所以后嫁接法更多被使用。

在此基礎(chǔ)上更復(fù)雜的嫁接也相繼出現(xiàn)，如多步嫁接。也有很多研究者通過不同的方法改性介孔二氧化硅材料，以提高其處理廢水中重金屬離子的能力。

涂層法

涂層法原理和嫁接法類似，利用介孔二氧化硅表面的硅羥基和有機硅烷反應(yīng),同時在少量水分輔助下，有機硅烷之間也可以發(fā)生自聚反應(yīng),從而形成一種層狀物。涂層法可以產(chǎn)生大量的有機官能團,在材料的孔結(jié)構(gòu)不被顯著堵塞的情況下，有可能成為一種良好的吸附劑。

浸漬法

浸漬法是將一種或幾種活性組分通過浸漬載體，負載在載體上的方法。通常是用載體與活組組分溶液接觸,使活性組分溶液吸附或貯存在載體毛細管中，除去過剩的溶液,再經(jīng)干燥活化制得吸附劑。

鑲嵌法

有序介孔材料所特有的、納米范圍內(nèi)規(guī)則排列、連續(xù)可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu),無疑為人們對納米粒子的研究提供了良好的物質(zhì)條件。從而為在微觀角度研究介孔材料的物理、化學(xué)特性提供了有力的依據(jù)。利用鑲嵌方法,在介孔孔道內(nèi)裝載并形成均勻、穩(wěn)定且尺寸可調(diào)的離子、原子或分子團簇,文獻中已有大量報導(dǎo)。

參考資料：

趙大洲.兩種形態(tài)介孔二氧化硅的功能化及不同形貌碳酸鈣的制備

魏建文.介孔二氧化硅改性及其吸附CO2研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/三昧）

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