一种具有MCM-41分子筛结构的有序介孔硅纳米材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有MCM-41分子筛结构的有序介孔硅纳米材料及制备方法，属于无机纳米材料技术领域。利用镁热还原反应，以具有规整孔道结构的二氧化硅基MCM-41介孔分子筛为前驱体，在较低温度下制得了介孔单质硅材料。由于镁热还原过程温度较低，反应过程中分子筛的微观结构得以保留，因此利用本发明专利技术制备的多孔硅为具有MCM-41型分子筛结构的介孔硅纳米材料，具有外观形貌均一、孔道结构连续有序、孔壁均匀、比表面高、明显的光致发光性质等特点，有望在锂离子电池、光电材料和气体传感器等领域具有广泛的应用前景。本发明专利技术为制备具有特殊形貌和有序孔道结构的多孔硅纳米材料提供了一条新的思路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机纳米材料
，具体涉及一种具有MCM-41型分子筛结构的有序介孔硅纳米材料及制备方法。
技术介绍
MCM-41介孔分子筛，是20世纪90年代初期美国Mobil公司Beck等人制备的新型分子筛M41S体系的典型代表，它具有一维六方有序排列的孔道结构，孔径均匀，孔径尺寸可随合成条件的不同在1.5 10 nm之间变化,并能通过简单地改变合成条件来精细调节和控制材料的孔径、微观形貌、强度甚至表面酸性。由于规整介孔结构的存在使得材料具有很高的比表面积(> 1000 m2/ g)和孔体积(> 0.7 cm3/g)，较大的孔道突破了以往微孔沸石分子筛孔径不超过I nm的界限，更有利于有机分子的快速扩散，从而为大分子反应提供了广阔的有效空间和高效的酸性催化活性，因此在石油化工的分离过程中和酸催化领域具有广泛的应用潜力。介孔材料独特的结构和由此带来的优异的物理化学性质，促使人们去开发具有多种具有不同形貌和组成的介孔材料。硅是性能优异的半导体材料，在微电子领域、光电子、光催化、生物化学和生物传感等领域具有举足轻重的地位。多孔娃(porous silicon)是一种具有纳米多孔结构的材料，不仅具有多孔材料的通性，同时又具备了半导体材料的特质，具有比表面积大、生物活性高、可光致发光和电致发光等特征，因此是一种优异功能性材料，可望用于照明材料、太阳能电池、光学器件、生物医学等领域。迄今为止，关于多孔硅的研究大多集中于海绵状多孔硅的制备和性质研究，材料内多孔结构尺寸不一，孔道不规整。将介孔分子筛规整的孔道结构引入到多孔硅材料中，尺寸均一且可调的孔径和厚度均匀的孔壁可以大大提高材料的比表面积和孔体积，对并预期对材料的发光性质有明显的改善，因此制备具有规整孔道和均一孔径的介孔单质硅材料具有重要的研究意义。目前，关于介孔单质硅的研究较少，制备方法主要有电化学腐蚀单晶硅、超声等，这些方法不利于有效的控制产物孔尺寸和结构，制备过程繁琐且使用毒性试剂，产物产量极低等。镁热还原法是一种利用单质镁粉或者镁带还原金属或非金属的化合物来制取其单质或合金的过程，反应条件温和，可以使得初始反应物的微观结构在整个反应过程中得以保持直至保留到最终产物中，且反应过程简单，反应过程的中间产物只需通过简单的处理即可除去。目前，镁热还原法在材料制备领域具有很重要的地位。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有MCM-41分子筛型规整介孔孔道和均一孔径的单质硅多孔材料及制备方法，使多孔硅纳米材料的形貌和结构更加多样化。本专利技术是通过以下技术方案实现的，首先以制备MCM-41介孔氧化硅分子筛，通过改变反应物配比调节所得MCM-41介孔氧化硅分子筛的孔径尺寸、孔壁厚度以及颗粒大小，然后在较低温度下，将MCM-41介孔氧化硅分子筛与镁粉进行反应，化学反应式21%+SO2崎生成一种具有MCM-41分子筛型规整介孔孔道结构和均一孔径的介孔硅纳米材料，具体包括以下步骤: (1)搅拌条件下，将1-2g阳离子表面活性剂CTAB加入到装有3.5-7 ml NaOH (2 M)和480 ml超纯水的细口瓶中，持续搅拌30 min ； (2)将5-9ml TEOS滴加到上述溶液中，升温至80 ° C继续搅拌30 min，得到白色半透明凝胶； (3)将上述所得白色凝胶状物质直接用去离子水洗涤抽干，900C干燥过夜后放入马弗炉中，以2 °C/min的升温速率升温至450-600 0C焙烧5 h后得到颗粒状MCM-4介孔氧化娃分子筛； (4)室温下，将所得的MCM-4介孔氧化硅分子筛与Mg粉按照摩尔比1:2.5 4放入管式炉中，通惰性气体一段时间后，以一定升温速率升温至65(T750 °C保持2-3 h，后降至室温； (5)将所得还原产物用稀酸浸泡6h除去还原过程中产生的氧化镁，即得到具有MCM-41分子筛型规整介孔孔道结构和均一孔径的介孔硅纳米材料。本专利技术中,所述惰性气氛为氮气或氩气的一种。本专利技术中，所述升温速率为5 V /min或10 V /min。本专利技术中，所述 稀酸溶液为1-2M的稀盐酸或者稀硫酸的一种。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果:1、本专利技术制备出的多孔硅纳米材料，其微观形貌为具有规整一维孔道结构和均一孔径的纳米颗粒，和传统工艺制备的的多孔硅材料相比，这种介孔硅纳米材料具有更高的比表面积和孔体积，孔径可根据实际需要进行调节，因此具有更加重大的应用前景。2、本专利技术所用试剂均为价格低廉的实验室常用试剂，避免了使用价格昂贵的单晶硅片，MCM-41分子筛制备过程非常成熟，可大批量生产，因此最终产物介孔硅纳米材料的产量可大大提高，整个过程操作简单、环境友好、产物制备率高、重复性好，因此非常适合工业化生产，所制备的介孔氧化硅纳米材料有望在多个领域具有广泛应用。附图说明图1是具有MCM-41分子筛型孔道结构的介孔硅纳米材料的TEM图。图2是具有MCM-41分子筛型孔道结构的介孔硅纳米材料的XRD图。具体实施例方式下面通过实施例对本专利技术进行进一步说明。实施例1 (1)搅拌条件下，将Ig阳离子表面活性剂CTAB加入到装有3.5 ml NaOH (2 M)和480 ml超纯水的细口瓶中，持续搅拌30 min ； (2)将5ml TEOS滴加到上述溶液中，升温至80 ° C继续搅拌30 min，得到白色半透明凝胶；(3)将上述所得白色凝胶状物质直接用去离子水洗涤抽干，900C干燥过夜后放入马弗炉中，以2 °C/min的升温速率升温至500 0C焙烧5 h后得到颗粒状MCM-41介孔氧化娃分子筛； (4)室温下，将所得的MCM-4介孔氧化硅分子筛与Mg粉按照摩尔比1:2.5放入管式炉中，通氮气一段时间后，以一定升温速率升温至650°C保持3 h，后降至室温； (5)将所得还原产物用稀盐酸浸泡6h除去还原过程中产生的氧化镁，即得到具有MCM-41分子筛型规整介孔孔道结构和均一孔径的介孔硅纳米材料。实施例2 (1)搅拌条件下，将2g阳离子表面活性剂CTAB加入到装有7ml NaOH (2 M)和480ml超纯水的细口瓶中，持续搅拌30 min ； (2)将9ml TEOS滴加到上述溶液中，升温至80 ° C继续搅拌30 min，得到白色半透明凝胶； (3)将上述所得白色凝胶状物质直接用去离子水洗涤抽干，900C干燥过夜后放入马弗炉中，以2 °C/min的升温速率升温至550 0C焙烧5 h后得到颗粒状MCM-41介孔氧化娃分子筛； (4)室温下，将所得的MCM-4介孔氧化硅分子筛与Mg粉按照摩尔比1:2.5放入管式炉中，通氮气一段时间后，以一定升温速率升温至650°C保持3 h，后降至室温； (5)将所得还原产物用稀盐酸浸泡6h除去还原过程中产生的氧化镁，即得到具有MCM-41分子筛型规整介孔孔道结构和均一孔径的介孔硅纳米材料。实施例3 (1)搅拌条件下，将Ig阳离子表面活性剂CTAB加入到装有3.5 ml NaOH (2 M)和480 ml超纯水的细口瓶中，持续搅拌30 min ； (2)将5ml TEOS滴加到上述溶液中，升温至80 ° C继续搅拌30 min，得到白色半透明凝胶； (3)将上述所得白本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有MCM?41分子筛结构的有序介孔硅纳米材料，其特征在于材料的微观结构为典型的MCM?41介孔分子筛的规整一维六方孔道结构，孔尺寸在一定范围内可调，孔壁均匀，比表面积高，且具有明显的光致发光性质，成分为单质硅。

【技术特征摘要】
1.一种具有MCM-41分子筛结构的有序介孔硅纳米材料，其特征在于材料的微观结构为典型的MCM-41介孔分子筛的规整一维六方孔道结构，孔尺寸在一定范围内可调，孔壁均匀，比表面积高，且具有明显的光致发光性质，成分为单质硅。2.如权利要求1所述的一种具有MCM-41分子筛结构的有序介孔硅纳米材料的制备方法，其特征在于具体合成步骤如下: (1)使用溶胶凝胶法制备MCM-41型介孔分子筛； (2)将一定量的上述MCM-41介孔分子筛与金属镁粉按一定摩尔比混合均匀后放入管式炉，惰性气氛下升温至650~750°C反应2 3...

【专利技术属性】
技术研发人员：张艳华，杨宏涛，邓莹，程江，陈慧，叶小舟，郑舒，涂铭旌，
申请(专利权)人：重庆文理学院，
类型：发明
国别省市：