陳化溫度和pH值對氨基功能化介孔氧化硅吸附CO2性能的影響

郝仕油 肖 強 鐘依均 朱偉東＊, 楊 輝

(1浙江大學材料科學與工程學系，杭州 310027) (2浙江師范大學物理化學研究所，先進催化材料省部共建教育部重點實驗室，金華 321004)

陳化溫度和pH值對氨基功能化介孔氧化硅吸附CO2性能的影響

郝仕油1,2肖 強2鐘依均2朱偉東＊,2楊 輝＊,1

(1浙江大學材料科學與工程學系，杭州 310027) (2浙江師范大學物理化學研究所，先進催化材料省部共建教育部重點實驗室，金華 321004)

本研究采用溶膠-凝膠法，分別以十二烷基肌氨酸鈉、氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)和正硅酸乙酯(TEOS)為結構導向劑(SDA)、共結構導向劑(CSDA)和硅源合成了氨基功能化的介孔氧化硅預產物。利用乙醇和乙醇胺混合液對預產物進行萃取后獲得氨基功能化介孔氧化硅。利用紅外光譜、元素分析、N2吸-脫附、透射電鏡等手段對材料進行了表征。紅外光譜結果證明通過萃取方法可較好地去除表面活性劑；N2吸附結果表明所有樣品都具有介孔結構；元素分析和透射電鏡結果說明反應陳化溫度、pH值等合成條件對材料孔道內表面的氨基含量和材料結構有較大的影響。CO2吸附實驗證明在低陳化溫度、相對較低的pH值下合成的材料具有較高的CO2吸附量。

CO2吸附；介孔氧化硅；氨基功能化；溶膠-凝膠法

隨著現代工業的迅速發展，作為產生溫室效應的主要氣體——二氧化碳在大氣中的濃度與日俱增，對我們賴以生存的環境造成極大的危害，但同時它作為碳源可制備甲烷、尿素等產物，還可作為超臨界流體介質使用，因此圍繞二氧化碳捕獲與提純的研究引起了人們的普遍關注[1]。由于吸收量大，溶劑吸收法曾被廣泛使用，但該法存在以下缺點：吸收劑再生能耗大、對設備腐蝕嚴重、有氧存在下吸收劑易降解等[2-4]。可循環再生的固態吸附劑由于克服了液相吸收法的缺點因而在潛艇、航空、航天飛機等密閉體系中具有較突出的應用價值。雖然傳統的固態吸附劑，如活性炭、沸石分子篩、碳分子篩等在常溫下對CO2具有較大的吸附量，但在高溫下吸附量急劇下降且在有水環境中選擇性極差。氨基功能化材料由于吸附CO2后形成易分解的氨基甲酸鹽和碳酸氫鹽(有水環境中)，所以頗受研究者關注[5-13]，但目前報道的絕大部分工作是通過嫁接方式合成目標產物。眾所周知，隨著氨基嫁接量的增加，材料原有孔道越來越小，有時甚至被阻塞，因此對CO2的擴散形成了障礙，不利于CO2與氨基充分接觸，且相應延長了到達吸附平衡的時間。

以陰離子表面活性劑為模板劑合成介孔氧化硅(AMS)的方法由于引進共結構導向劑(CSDA)而使功能團高度有序地分布于介孔內壁上[14]，因而倍受研究者關注。最近，大量文獻報道了AMS的合成及其性能，其中通過煅燒法去除模板劑獲得的材料由于除去了氨基[15-17]而不適合作酸性氣體(如SO2、CO2等)的吸附劑，而通過萃取方式[18-22]可獲得氨基均勻分布的功能化材料。合成AMS的一般步驟如下：首先正硅酸乙酯(TEOS)在酸或堿的催化作用下水解產生原硅酸；然后原硅酸之間或原硅酸與CSDA(如氨丙基三甲氧基硅烷-APTMS，氨丙基三乙氧基硅烷-APTES等)之間或原硅酸與TEOS之間在酸或堿的催化作用下通過縮聚方式相結合成為聚合物，同時CSDA中的氨基質子化后與模板劑中的陰離子通過S-N+～I-結合方式[23]形成AMS預產物，其中S代表陰離子表面活性劑，N代表共結構導向劑，I代表無機預產物(如TEOS的水解產物)，S-與N+通過靜電引力結合；最后通過萃取或煅燒方法去除預產物中的表面活性劑即可獲得介孔氧化硅。

從以上分析可知，不管是水解還是縮聚過程都受反應體系pH值的影響，同時還受反應陳化溫度等因素的影響，從而影響材料中氨基含量及孔道內表面的氨基分布狀態。因此本工作圍繞反應陳化溫度和pH值的變化對材料吸附CO2的性能進行相關研究。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

TEOS(98%，美國新澤西，Acros試劑集團)，APTMS(95%，美國新澤西，Acros試劑集團)，十二烷基肌氨酸鈉(Sar-Na，化學純，日本東京化成工業有限公司)，無水乙醇，乙醇胺(化學純，上海國藥化學試劑集團)，二次蒸餾水(自制)。

1.2 樣品制備

室溫(當考察反應陳化溫度影響時，溫度分別設為35、50、60、70℃)下在60 mL蒸餾水中溶解0.586 7 g(2 mmol)十二烷基肌氨酸鈉后加入3.2 mL提前混合好的TEOS(3.0 mL)和APTMS(0.2 mL)混合液，然后加入0.1 mol·L-1的HCl溶液x g(x=25.5，13，6.5，3.3，1.65；當考察反應陳化溫度影響時x取13)攪拌1 h，混合液在室溫下陳化2 h后轉移至80℃的烘箱中晶化24～40 h。經離心分離，H2NC2H4OHC2H5OH混合體系萃取，60～80℃下烘干12 h后獲得相應材料。萃取具體步驟為：1 g預產物溶解在H2NC2H4OH(約19.82 mL)和乙醇(約80.18 mL)的混合液中，90℃回流12 h經過濾、水洗、乙醇洗滌、60℃烘干后再重復萃取一次后即得最終材料。

1.3 產物分析與表征

紅外測試在傅里葉變換紅外光譜儀(Nexus670型)上進行，測試條件：波數范圍4000～650 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描累加次數128次。N2吸-脫附等溫線在ASAP 2020型(美國Micromeritics公司)氣體吸附儀上獲得。TEM圖像在JEOL-2010型透射電子顯微鏡上獲得。N總含量通過Vario ELⅢ型元素分析儀(德國Elemeraor公司)獲得。材料孔道內表面N含量用銀量法[24]滴定確定，其中孔道內表面氨基含量用表1中的附注公式計算而獲得。典型銀量法實驗步驟如下：稱取0.5 g氨基功能化樣品，用50 mL乙醇(內含5.21 mL濃度約為35%的鹽酸)處理2 h，經過濾、洗滌后再用50 mL乙醇(內含4.6 g濃度約為69%的硝酸)處理樣品2 h，再經過濾、50 mL去離子水反復洗滌樣品后收集所有濾液，然后在濾液中加入50 mL 0.1 mol·L-1的AgNO3溶液，經激烈攪拌20 min后得白色AgCl沉淀，通過計算可得Cl-含量從而推算材料孔壁上氨基含量。

1.4 CO2吸附

材料的CO2吸附性能測試在ASAP 2020型靜態吸附儀(美國Micromeritics公司)上進行，具體操作條件為：首先0.25 g左右的樣品在120℃下抽真空預處理12 h以去除樣品中吸附的水份和其他氣體，通過循環水浴控制溫度為25℃，在0.01～101 kPa壓力范圍內對CO2進行吸附實驗以獲得吸附等溫線。

2 結果與討論

2.1 陳化溫度對材料CO2吸附性能的影響

圖1為不同陳化溫度下合成的預產物 (a′，b′，c′，d′)和萃取后樣品(a，b，c，d，詳見表1)的紅外光譜圖。圖中2852和2932 cm-1分別對應于模板劑中亞甲基的對稱伸縮振動峰和共結構導向劑中亞甲基的非對稱伸縮振動峰。據圖可知經萃取后獲得的樣品在2852和2932 cm-1處的紅外振動峰強度都降低，說明萃取可以有效地去除預產物中的絕大部分陰離子表面活性劑。圖2為相應樣品的XRD圖，據圖2可知，在不同陳化溫度下合成的所有樣品均無小角度衍射峰，說明樣品長程無序，結晶程度較低。圖3為樣品a，b，c，d的N2吸-脫附等溫線和BJH孔徑分布圖。據圖可知所有樣品的N2吸-脫附等溫線均為Ⅳ型，且都存在滯后環，孔徑以3.0 nm為中心均勻分布，說明材料具有介孔結構。

圖1 不同陳化溫度下合成的預產物和樣品的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of the pre-products and samples prepared at different aging temperatures

圖2 不同陳化溫度下合成樣品的XRD圖Fig.2 XRD patterns of the samples prepared at different aging temperatures

圖3 不同陳化溫度下合成樣品的N2吸-脫附等溫線(插圖)和BJH孔徑分布圖Fig.3 N2adsorption-desorption isotherms(inset)and the BJH pore size distribution plots of the samples prepared at different aging temperatures

不同陳化溫度下合成的樣品在25℃時對CO2的吸附等溫線見圖4，從中可以看出，隨著陳化溫度升高，相應樣品在整個吸附壓力區間內對CO2的吸附量逐漸降低。Pasternack等[25]在 SiO2表面上用APTES功能化時發現溫度越高越有利于APTES量的增加，說明在高溫下有利于APTES與SiO2表面羥基的縮聚。從表1元素分析結果可知，反應陳化溫度越高材料中N含量越高，從而證明高溫陳化下有利于縮聚反應的進行。CSDA與SDA的作用方式見圖5，具體結合過程如下：首先CSDA中的氨基質子化，然后與SDA中的陰離子通過靜電引力結合因而使APTMS定向排布，萃取SDA后氨基能夠均勻分布在材料的孔壁上。由于氨基質子化為放熱過程，所以低溫有利于該反應的進行。另外，低溫下微觀粒子運動速度較小，有利于正負粒子的定向化排布，所以，低溫陳化下合成的材料孔道內表面氨基含量較高，此結論與表1中的相關數據相符。據表1可知，35℃陳化下所合成的材料雖然平均孔徑較小，但BET比表面積和孔容均高于其他陳化溫度下合成材料的，這可能是低溫陳化下合成的材料有利于CO2吸附的原因之一。綜上所述可推知，高溫陳化雖然可使材料中氨基總含量增加，但孔道內表面氨基含量不高，相應堿性位降低，所以高溫陳化下合成的材料吸附CO2的量較低。

表1 不同陳化溫度下合成氨基功能化介孔氧化硅的性能Table 1 Properties of the amino-functionalized mesoporous silicas synthesized at different aging temperatures

圖4 25℃時不同陳化溫度下合成樣品對CO2的吸附等溫線Fig.4 Adsorption isotherms of CO2at 25℃on the samples synthesized at different aging temperatures

圖5 CSDA與SDA相互作用示意圖Fig.5 Sketch map of the interactions between CSDA and SDA

2.2 反應體系pH值對材料CO2吸附性能的影響

據陳化溫度影響因素可知低溫下合成有利于提高材料對CO2的吸附量，因此在考察反應體系pH值對合成材料吸附CO2的影響時，陳化溫度選擇在室溫(約25℃)，反應體系具體pH值見表2。圖6為樣品1，2，3萃取前后的紅外光譜圖。據圖可知，萃取后獲得的樣品(1，2，3)在2852和2932 cm-1處的峰強度都有一定程度的降低,特別是在2852 cm-1處較預產物(1′，2′，3′)的峰強度有明顯的降低，類似現象在樣品4和5中也存在，說明材料中的模板劑基本被除去。此時材料中的氨基狀態與反應體系pH值有關，pH值較大時，氨基以中性狀態存在，而pH值較小時，氨基則以質子化形式(-NH3+)存在。圖7是在不同pH值下合成樣品的XRD圖。據圖可知，在酸性和堿性體系中合成的樣品在小角區無衍射峰，說明樣品長程無序；而在pH=7.2的體系下合成的樣品在2θ=1.72°和1.95°處分別出現小角峰，說明樣品有序度較高；出現上述現象的原因可能與不同pH值對水解和聚合的催化性能有關。圖8為不同樣品的N2吸-脫附等溫線和BJH孔徑分布圖。據圖可知，所有樣品的N2吸-脫附等溫線均為Ⅳ型，都存在滯后環，平均孔徑大于3.5 nm(表2)，證明合成材料均為介孔結構；低pH值反應體系下所合成樣品的孔徑分布曲線半峰寬較窄，說明孔道均一性較好。

表2 不同pH值下合成樣品的性能Table 2 Properties of the samples synthesized at different pH values

圖6 不同pH值下合成預產物和樣品的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectra of the pre-products and samples synthesized at different pH values

據文獻[21]報道，合成體系pH值對膠束自組裝體表面曲率有重要影響，體系pH值較高時，陰離子表面活性劑電離程度較高，SDA與CSDA間作用力較強，此時膠束自組裝體表面曲率較大，因而得到產物的孔徑較小。在本研究中隨著鹽酸的不斷加入，十二烷基肌氨酸鈉的電離程度不斷降低，部分形成肌氨酸，引起膠束膨脹，因而形成的膠束自組裝體曲率較小，得到孔徑較大的介孔材料，具體數據見表2。

圖7 不同pH值下合成樣品的XRD圖Fig.7 XRD patterns of the samples prepared at different pH values

圖8 不同pH值下合成樣品的N2吸-脫附等溫線(插圖)和BJH孔徑分布圖Fig.8 N2adsorption-desorption isotherms(inset)and the BJH pore size distribution plots of the samples synthesized at different pH values

圖9為不同pH值下合成樣品的TEM圖像，從中可觀察到所有樣品都含有(類)球狀顆粒，且在酸性和pH=7.20的體系下合成的樣品(圖9a、b、c)中球狀顆粒所占比例較高，內部呈現較清晰的孔道結構；堿性體系下合成的樣品中球形顆粒比例相對較低(圖9c和d)，且顆粒中無清晰的孔道結構。出現上述現象與反應體系pH值密切相關，據文獻[26]可知，在酸催化下，TEOS快速水解，聚合易發生在相應產物的端點，所以易得到鏈狀的聚合產物；而在堿催化作用下，TEOS水解速度較小，而聚合速度相對較大且聚合易發生在相應產物的中間位置，所以易得到支鏈程度較高且緊密的聚合物。

圖9 不同pH值下合成樣品的透射電鏡圖Fig.9 TEM images of the samples synthesized at different pH values

圖10為25℃時不同pH值下合成的樣品對CO2的吸附等溫線。從圖中可知，在壓力相對較高的區域，相對低pH值下(如pH=3.97和6.05)合成的材料對CO2的吸附量遠遠大于高pH值下(如pH=8.89和9.90)合成材料對CO2的吸附量；同時，在0.5～20 kPa區間內，低pH值下合成的材料對CO2的吸附量隨著壓力升高迅速增大，而高pH值下合成材料對CO2的吸附量在整個壓力區間內隨著壓力的升高增幅不明顯。從表2的N元素分析數據可看出，隨著反應體系pH值的提高，樣品中N含量逐漸降低，且孔道內表面的N含量也相應降低(2號樣品例外)。上述現象可能與催化劑類型有關，從分析樣品形成過程可知，酸催化時，TEOS的水解和聚合都較快，且水解速率大于聚合速率，因此有利于提高樣品的產率，同時相應樣品中N含量較高，但若酸性太大(如合成樣品1時的低pH值)由于水解和聚合過快，可能影響SDA與CSDA間的定向排布[27]，從而造成萃取后的樣品孔道內表面N含量降低，對樣品CO2吸附量產生副作用(如樣品1)。由于孔道內表面氨基含量較高，相應堿性位增多，因此低pH值下合成的樣品對CO2的吸附量大。除了孔道表面氨基含量影響外，其他性能(如BET、孔容、孔徑、結構形貌等)也會影響材料對CO2的吸附性能。據表2可知樣品1和2的BET、孔容、孔徑比樣品3、4、5的大，所以有利于提高CO2的物理吸附。同時從材料TEM照片也可推知，由于低pH值下合成材料的孔道結構較高pH值下合成的要規整，所以有利于氣體在孔道內的擴散從而縮短到達吸附平衡的時間，因此對提高CO2的吸附也有促進作用。

圖10 25℃時不同pH值下合成的樣品對CO2的吸附性能Fig.10 Adsorption isotherms of CO2at 25℃on the samples prepared at different pH values

3 結 論

分別以十二烷基肌氨酸鈉和氨丙基三甲氧基硅烷為陰離子表面活性劑和共結構導向劑，以TEOS為硅源，通過溶膠-凝膠法合成了氨基功能化介孔氧化硅預產物，然后通過萃取方式獲得相應氨基功能化介孔材料；考察了反應陳化溫度和合成體系pH值對樣品的CO2吸附性能影響。結果表明，較低的陳化溫度和相對較低的pH值有利于合成高CO2吸附量的介孔材料。

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Effects of Aging Temperature and pH Value on Adsorption Properties of Amino-Functionalized Mesoporous Silicas for CO2

HAO Shi-You1,2XIAO Qiang2ZHONG Yi-Jun2ZHU Wei-Dong＊,2YANG Hui＊,1
(1Department of Materials Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou310027)
(2Key Laboratory of the Ministry of Education for Advanced Catalysis Materials,Institute of Physical Chemistry,Zhejiang Normal University,Jinhua,Zhejiang321004)

Using N-lauroylsarcosine sodium,3-aminopropyltrimethoxysilane and TEOS as structure-directing agent(SDA),co-structure-directing agent (CSDA)and silicon source,respectively,the precursors of aminofunctionalized mesoporous silicas were prepared by a sol-gel method.The amino-functionalized mesoporous silicas were obtained via the precursors extracted with a mixture solution of ethanol and ethanol amine.The resulting mesoporous silicas were characterized by the FTIR,N2adsorption-desorption,elemental analysis,and TEM techniques.The FTIR characterization indicates that the surfactant can be efficiently removed by the solvent extraction.A mesoporous structure is available in the synthesized materials,confirmed by the characterization of N2adsorption-desorption.The results from both elemental analysis and TEM characterizations show that the amount of amino groups inside the mesoporous materials is greatly controlled by the aging temperature and pH value of the synthetic solution.The adsorption of CO2on the synthesized materials implies that the low aging temperature and relatively low pH value of the synthetic solution would be beneficial to enhance the adsorbed amount of CO2on the resulted materials.

CO2adsorption;mesoporous silica;amino-functionalization;sol-gel method

O614.13；TF123.7

A

1001-4861(2010)01-0084-07

2009-08-12。收修改稿日期：2009-10-10。

國家重點基礎研究發展計劃項目——973計劃前期研究專項(No.2009CB626607)。

＊通訊聯系人。E-mail：weidongzhu@zjnu.cn，yanghui@zju.edu.cn

郝仕油，男，36歲，講師，博士研究生；研究方向：多孔材料合成及其性能研究。