以聚电解质-表面活性剂复合介晶为模板的多级孔材料合成及应用研究

Based on the polyelectrolyte-surfactant mesomorphous template method, which was firstly proposed by our group,in this project we will focus on synthesis and application of hierarchically nanoporous materials. Ionic self-assembly of polyelectrolyte and oppositely charged surfactants can form highly ordered mesomorphous liquid crystalline phases and mesostructured hierarchally porous silica materials could be synthesized by co-assembly of the mesomorphous complexes with inorganic silica source. By matching the charges of polyelectrolyte and surfactant, adjusting the molecular weight, chain length, organic group, corresponding ratio and factors such as synthesis temperature, incorporation of Al, Zr, Ti species in the synthesis system, or using organosilane with different head groups, functional hierarchically porous materials with well-defined morphologys and meso-structures will be prepared. In our project, mesomorphous complexes will also be utilized as templates to fabricate hierarchically nanoporous zeolite crystals, as well as hierarchically nanoporous metal oxides. We will explore the application of hierarchically porous functional materials as catalyst and catalytic supports in acidic catalysis, oxidation,catalytic reactions for hydrogen, etc. The mateials will also be used in enzyme adsorption. The project will be significant in the study field of synthesis method of hierarchically porous materials, and the synthesized hierarchically porous functional materials would be of great interest in catalysis, adsorption, separation, enzyme adsorption.

本项目基于我们提出的新方法，即以聚电解质与带相反电荷的表面活性剂通过静电自组装形成的复合介晶(Mesomorphous Complexes)为动态模板，与无机前驱体共组装合成多级孔结构材料。通过匹配聚电解质、表面活性剂的电荷、分子量、链长、有机功能团、相应的比例关系以及合成温度等因素，并在合成体系中引入铝源、锆源、钛源等，或使用带有不同官能团的有机硅烷等方式制备功能化的具有新颖形貌和介观结构的多级孔材料；拟将该介晶模板方法应用于合成具有晶内介孔的多级孔沸石分子筛，以及在非水相体系中合成多级孔金属氧化物；拟将所制备多级孔功能材料作为催化剂及催化剂载体，应用于酸催化、催化氧化及催化制氢等反应，并考察多级孔材料在酶固载方面的应用。本项目对多级孔结构材料的自组装合成有重要意义，合成的多级孔结构功能材料及多级孔沸石分子筛在催化及催化剂载体、吸附分离、酶负载等方面具有重要的应用价值。

多级孔材料在催化、吸附分离以及电极材料等领域具有重要的应用潜力。多级孔材料的合成要求同时实现在纳米尺度上的介观结构、孔道尺度和微米尺度上的形态参数的调配与控制，是材料合成中的挑战性课题。本项目主要研究内容为以聚电解质与表面活性剂自组装形成的复合介晶为动态模板，组装合成多级介孔结构材料，并探索这类多级孔材料在柴油氧化脱硫、甲酸分解制氢及电催化氧还原等方面的应用性质。主要研究进展为：.1）以聚电解质-表面活性剂动态模板法，合成了高骨架钛含量的多级孔结构Ti-SBA-1和Ti-SBA-2介观单晶材料，骨架钛含量可高达5wt%，展示出了良好的氧化脱硫催化性质； 2）将聚电解质-表面活性剂复合模板方法拓展到阳离子聚电解质-阴离子表面活性剂组装体系，提出了一种阴离子表面活性剂为模板合成有序介孔二氧化硅的新方法；3）将聚电解质-表面活性剂复合模板方法拓展到非离子表面活性剂为模板的合成体系，合成了多级孔结构KIT-6二氧化硅介观单晶；4）以聚丙烯酸和阳离子双亲硅烷偶联剂为介孔模板，合成了含晶内介孔的沸石分子筛；5）以多胺功能团的阴离子表面活性剂为模板，合成了系列多胺功能化介孔二氧化硅材料，具有良好贵金属负载性质和重金属离子吸附性能；6）利用多级介孔二氧化硅球为硬模板，成功地合成了氮掺杂、铁氮共掺杂的多级孔碳球材料；制备了包覆碳化铁、磷化铁、氧化铁纳米颗粒的氮掺杂介孔碳纳米材料。上述材料在电催化氧还原反应中表现出很好的催化活性；7）通过低温水相还原镁离子辅助合成，制备了碳负载的金钯纳米催化剂，表现出良好的甲酸分解制氢催化性能，室温下的初始TOF高达2150h-1。8）通过简单的一步热解碳化法，制备了由氮磷双掺杂的单壁碳组成的泡沫整体材料，具有极高的比表面积（超过2500 m2/g）。作为催化剂载体负载AuPd合金，用于甲酸制氢反应，在室温下初始TOF值达到3825 h-1。该材料在作为锂离子电池负极材料也展示出了很高的容量和稳定性。本项目共发表SCI收录论文17篇，获得中国专利授权2项，培养博士毕业生6人，硕士生5人。