间隔自组装法制备介孔有机硅、形成机理与性能研究

Mesoporous organosilica functional materials have received a great deal of attention due to their great potential in various applications. The synthesis based on the cooperative self-assembly process associated with the surfactants is the core issue of the research in this area, and yet a challenging issue regarding the much more sophisticated sol-gel control over the precursors of organosilicas than that of the common silica precursors. Therefore, this project for the first time proposes a novel partitioned cooperative self-assembly (PCSA) process mainly based on the control and manipulation over the hydrophilic inorganic components, with an aim to afford higher freedom to the current synthetic and structural controlling strategies on the mesoporous organosilicas, and eventually open a new pathway to the design and preparation of such prospective mesoporous organosilicas functional materials. In this project, at least two kinds of mesoporous organosilicas will be chosen as examples to study how such materials are prepared via the PCSA method and the mechanism for the manipulation of the mesostructures in a controllable way as well. The relationship between the structures and performance will be investigated for the chosen mesoporous organosilicas for the environmental remediation purpose. This project constitutes a rewarding extension to the conventional synthesis method in this area. The structural manipulation strategy and the discovered relationship between structures and performance can also be borrowed for the syntheses of other kinds of functional meso-materials, all of which will be of great importance for both materials research and applications.

介孔有机硅功能材料以其在实际应用领域的重要价值而广受关注，而借助于表面活性剂自组装进行的相关制备是此领域的研究重点，但同时也是难点，原因之一在于，相比二氧化硅前驱物溶胶-凝胶过程的控制，有机硅前驱物的反应控制要复杂的多。本课题首次提出采用一种新颖的间隔自组装过程，以对无机组分的控制作为主要手段，扩展目前介孔有机硅材料的制备与结构控制的自由度，将为最终设计并制备介孔有机硅功能材料开辟一条新路径。课题拟选取两种以上典型的介孔有机硅材料为例，通过间隔自组装法进行制备，研究介孔有机硅的结构控制与形成机理，并通过吸附物性实验研究介孔结构设计与控制对材料环保方面应用性能的影响关系。本项目的研究将是对常规方法制备介孔有机硅功能材料的有益拓展，而对相应介孔结构的控制机理、结构与应用性能之间关系等问题的研究也将进一步推动所选及其他功能性介孔材料的研究与应用，因而具有理论与应用的双重价值。

介孔有机硅功能材料以其在实际应用领域的重要价值而广受关注。本项目首次提出采用间隔自组装法,以对无机组分的控制作为主要手段，扩展目前介孔有机硅材料的制备与结构控制的自由度，将为最终设计并制备介孔有机硅功能材料开辟一条新路径。课题从间隔自组装法制备介孔二氧化硅着手，研究并掌握了各种间隔条件对介孔结构的影响关系，分析了其影响机理，并制备出了不同介孔结构、颗粒形貌的不同系列的介孔二氧化硅材料。这部分的研究为后续通过间隔自组装法制备介孔有机硅奠定了基础。课题选取两种典型的介孔有机硅材料为例（巯基和胺基介孔二氧化硅），通过间隔自组装法进行制备，掌握了不同实验条件（巯/胺基含量，间隔的量，反应温度等）对介孔结构的影响，最终制备出了高巯/胺基含量、等级介孔结构的巯/胺基介孔二氧化硅。对于胺基摩尔分数达到25%胺基介孔二氧化硅(SiO1.875(RNH2)0.25)的比表面积可达454 m2g-1, 孔体积为0.45 cm3g-1，第一级与第二级孔径分别为3.5 nm和7.7 nm。对于巯基摩尔分数达到25%巯基介孔二氧化硅(SiO1.875(RSH)0.25)的比表面积可达379 m2g-1, 孔体积为0.83 cm3g-1，第一级与第二级孔径分别为4.2 nm和29 nm。基于间隔自组装制备介孔二氧化硅及有机介孔二氧化硅的结构控制研究，我们阐述了介孔有机硅的介孔结构形成机理，并研究了所制备的介孔有机硅在水污染治理，即吸附重金属离子（以铜离子为例）方面的应用。另外，我们课题组还开展了通过间隔法制备介孔二氧化硅，再通过嫁接法制备胺基功能化介孔二氧化硅的研究，并详细研究其对钼离子的吸附与分离性能。除了介孔有机硅的研究，在项目计划书研究内容之外，我们着眼于其他可用于治理水污染的介孔材料，开展了部分扩展研究，主要包括介孔二氧化钛的研究、新型水匮乏自组装体系制备介孔二氧化硅的研究。这些研究丰富了本课题的内容，也为课题组的后续研究打开了思路，奠定了基础。因此，本项目提供了一种新型的制备介孔有机硅功能材料的路径，而对相应介孔结构的控制机理也将进一步推动所选及其他功能性介孔材料的研究与应用。