Кремнеземные адсорбенты

Актуальность темы. Мезопористые молекулярные сита среди всех материалов с высокой удельной поверхностью занимают лидирующие позиции, применяющиеся в качестве катализаторов и носителей для катализаторов, адсорбентов, селективных мембран, а также матриц для получения однородных по размеру наноструктур и большого числа функциональных композитных материалов.

Синтез гетерогенных катализаторов на основе мезопористых молекулярных сит является очень актуальной темой, т.к они позволяют уменьшить экономические затраты и воздействие на экологическую среду, а также значительно увеличить скорость основной реакции.

Внимание специалистов в области катализа сосредоточено сегодня на мезопористых молекулярных ситах типа MCM-41   благодаря высоким значениям удельной поверхности ≈1000-1200 м2/г и объема пор ≈ 1,0 см3/г, значительной гидро- и термостабильности их узкому распределению пор по размерам, аналогичному классическим цеолитам, но с преобладающим эффективным размером от 2 до 50 нм. Структура МСМ-41 представляет собой двумерную сетку кремнийоксидных пластин, которые образуют цилиндрические поры, расположенные параллельно оси цилиндра. Диаметр пор может быть настроен в диапазоне от 1,5 до 15 нм путем изменения условий синтеза.

Настоящая курсовая работа посвящена синтезу в сильнокислых условиях ([H+] = 6 моль/л) серии замещенных висмутом мезопористых материалов типа MCM-41 с различным количественным содержанием металла. Образцы Bi-MCM-41 были исследованы такими физико-химическими методами, как порошковая рентгенография и низкотемпературная адсорбция-десорбция азота.

Цель работы – изучить адсорбционные характеристики и структуру полученных материалов для выявления новых областей их применения в сорбции и катализе. Исходя из задачи адсорбционный метод исследования был выбран как наиболее информативный среди иных методов изучения текстуры поверхности, изменяющейся посредством заполнения пустот, выравнивания заряда поверхности, стабилизации структурных единиц и т.д.

Экспериментальная часть. Проведен низкотемпературный синтез мезопористых силикатов, содержащих висмут.  В качестве темплата использовали поверхностно-активное вещество (ПАВ), а именно хлорид цетилпиридиния, в мицеллярной форме.  Цетилпиридиния хлорид, дистиллированную воду, соляную кислоту и хлорид висмута(III) смешивали при 323 К и перемешивали в течение 30 мин. К указанной смеси при энергичном перемешивании добавляли тетраэтоксисилан (ТЕОС) до получения гелеобразной смеси. Молярный состав геля соответствовал соотношению 0,33CPCl/ 1,0TEOS/ 7,5HCl/ 68H2O/ 0,06-0,08BiCl3. После перемешивания смеси в течение 24 ч при 323 K полученный продукт отфильтровывали, промывали дистиллированной водой, сушили в течение 3 ч при 373 K, а затем прокаливали в течение 6 ч на воздухе при 823 K. Материал MCM-41 без Bi был синтезирован по той же процедуре за исключением того, что хлорид висмута(III) не добавляли.

В работе синтезировали 2 серии образцов. В первой серии были получены образец кремнезема МСМ-41, не содержащего ионы металла, и образец с массовым отношением Bi/Si=34/66. Во второй серии образцов был получен также исходный МСМ-41 и 3 образца с разным массовым отношением. Данные приведены в таблице 1.

Текстуру образцов оценивали удельными характеристиками объема пор и площади поверхности, вычисленными из изотерм низкотемпературной адсорбции–десорбции азота. Изотермы измеряли объемным методом на анализаторе площади поверхности и пористости ASAP 2020MP. Удельную поверхность определяли методами БЭТ (ABET) и Ленгмюра (AL), площадь внешней поверхности (Aext) – сравнительным методом t-графика. Среднюю статистическую толщину t адсорбционной пленки определяли методом t-графика Липпенса–де Бура: