以单组分巨型表面活性剂为前驱体的有序介孔二氧化硅制备
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以单组分巨型表面活性剂为前驱体的有序介孔二氧化硅制备
发布时间:2021-08-18        浏览次数:10

  介孔材料是一类孔径介于2-50纳米之间的多孔材料。在过去三十年中,介孔材料在分离、催化、传感以及载药等领域取得了广泛的应用。对介孔材料纳米尺度微观结构的控制通常借助多组分两亲性体系(表面活性剂或嵌段共聚物为模板)的自组装而实现。除前述的模板法外,对含有非挥发性元素的单组份两亲分子进行直接热裂解也可以制备有序介孔材料。与模板法相比,单组分前驱体法具有结构控制精准、不易发生模板分子与前驱体的宏观相分离等优点。通过对前驱体的预加工,裂解后的介孔材料形态亦可以得到较好的控制。 

  在构成介孔材料的各类化学组分中,二氧化硅作为经典体系,是最为简单却被广泛关注的类型。然而,单组分大分子为前驱体的有序介孔二氧化硅制备此前未见报道。其中挑战在于:高硅含量的分子前驱体选择极为有限,而常见的硅氧聚合物(如聚二甲基硅氧烷等)受热时易发生解聚反应。

 图1 以基于笼形倍半硅氧烷的巨型表面活性剂为前驱体制备有序介孔二氧化硅材料

  最近,华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院S.Z.D. CHENG院士团队设计并合成了由亲水多面体笼形倍半硅氧烷(简称DPOSS)和疏水的聚苯乙烯链组成的单组分杂化巨型表面活性剂,并通过热退火的方式使该巨型表面活性剂发生体相自组装形成六方有序结构。对该杂化组装体进行热裂解可以移除其中的有机组分(聚苯乙烯及含羟基官能团),从而得到具有六方柱状相的有序介孔二氧化硅材料。小角X射线散射(SAXS)和透射电子显微镜(TEM)的表征证明,热裂解过程中样品的有序微观结构得到了很好的保持。

 图2 热裂解前后样品的SAXSTEM对比

  氮气吸附实验表明,该介孔二氧化硅材料具有较高的比表面积(581 m2/g)和均一的孔径分布(3.3纳米)。改变前驱体分子中聚苯乙烯链的长度可以对孔径实现有效的调节。基于单组分前驱体的良好的可加工性,不同形态的有序介孔二氧化硅材料(包括块体、纤维和涂层)可通过对作为前驱体的巨型表面活性剂加工而实现。该方法制备的有序介孔二氧化硅材料可作为贵金属纳米粒子催化剂载体,并显著提升了催化反应的速率和催化剂的稳定性。本工作为拓展有序介孔材料的制备方法及应用提供了新的思路。

 图3 巨型表面活性剂块体及其热解得到的介孔二氧化硅材料的照片

  这一成果近期发表在《美国化学会会志》(Journal of the American Chemical Society)上,本文共同第一作者为郭庆云博士和严笑云博士,通讯作者为S.Z.D. CHENG院士、许志豪博士和张炜博士。华南理工大学17级材料类全英创新班本科生李幸晗在过去二年多时间里,在这个项目中协助进行了前驱体分子的合成工作,为课题的完成做出了突出贡献。本课题由文章的17位作者共同完成,这个科研方向早在六年前就开始尝试了。文章的最终发表离不开所有作者历时多年的尝试、探索与努力。

 

Ordered Mesoporous Silica Pyrolyzed from Single-Source Self-Assembled Organic–Inorganic Giant Surfactants

 

Qing-Yun Guo, Xiao-Yun Yan, Wei Zhang*, Xing-Han Li, Yongsheng Xu, Shuqi Dai, Yuchu Liu, Bo-xing Zhang, Xueyan Feng, Jiafu Yin, Di Han, Jiahao Huang, Zebin Su, Tong Liu, Mingjun Huang, Chih-Hao Hsu*, and S.Z.D. CHENG*

 

J. Am. Chem. Soc. 2021,XXXX, XXX, XXX-XXX

 

https://doi.org/10.1021/jacs.1c05356


论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c05356

 

 

 


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