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柱撑蒙脱石多孔材料是指利用蒙脱石矿物层间离子或分子的可交换性,通过化学改性方法将有机离子或无机聚合羟基离子引入蒙脱石层间域,撑开矿物层间而形成二维纳米多孔材料。该材料具有比表面积大、表面活性高及孔径大小可调等特征,并因特殊的二维孔道结构和优良的催化和吸附性能,在催化剂及催化剂载体、选择吸附剂、分子筛、膜、离子交换剂、环保材料等领域得到广泛应用,因而成为近年来国内外广泛关注和研究的热点。
本文选用两类常用的柱撑剂,对无机、有机柱撑蒙脱石进行深入研究。在有机柱撑方面,我们选用烷基季铵盐类阳离子表面活性剂为柱撑剂,在水介质条件下对广东南海蒙脱石进行了有机柱撑复合物的制备合成。用X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)等手段研究了柱撑蒙脱石层间有机离子的两类典型排布模式:平卧模式和石蜡型模式,并考察了柱撑浓度等因素对柱撑产物结构的影响。并在此基础上利用XRD、FTIR、<13>CMAS NMR等表征方法研究十四烷基三甲基溴化铵(TDTMAB)柱撑蒙脱石的结构、构型特征和柱撑反应机理等。
在无机柱撑蒙脱石方面,我们以聚合羟基锆离子为柱撑剂,在传统方法基础上改变各种反应条件,用于无机柱撑蒙脱石制备,寻找最佳制备条件,并采用XRD、FTIR、比表面积(BET)等方法研究锆柱撑蒙脱石层间结构和柱撑反应机理。
本论文主要取得了以下研究成果:
1)研究了广东南海蒙脱石的矿物学特征。
2)利用XRD分析结果,分析了两种典型排布模式在有机蒙脱石中存在的状况。并提出了平卧单层及平卧双层排列的三种联锁结构对应的底面间距高度。
3)柱撑液浓度、烷基链长度可以显著地影响柱撑效果,在不同浓度条件下,有机柱撑离子在蒙脱石层间域内可形成不同排列方式,表现出柱撑产物底面间距的可调控性。随着柱撑浓度的增大,TDTMA<+>-蒙脱石排列模式的演化方向是:平卧单层→平卧双层→假三层→倾斜单层→倾斜双层。
4)TDTMA<+>-蒙脱石的FTIR和NMR研究结果表明,有机蒙脱石结构存在A11-trans和Gauche两种烷基链构型。随着柱撑浓度增大,层间域内有机柱撑离子存在着一个从类似液体状态(Liquid-like)再到类似固体状态(Solid-1ike)变化的宽范围的分子环境。
5)在传统制备方法基础上,用加热处理柱化剂能有效提高聚合羟基锆离子的生成速度,制备的锆柱撑蒙脱石具有高的底面间距和较好的孔状结构,聚合锆离子和蒙脱石结构层之间形成了稳定的[Si-O],[H(O)-Zr]氢键。