介孔及碳纳米材料教材
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介孔及碳纳米材料资料讲解
• 不导电：because electrons are localized in specific bonds
• 不溶于有机或无机的溶剂：because molecular bonds are stronger than any intermolecular forces
Cn-s-1
CnTEA CnEOx TEOS TMOS
名称
缩写
正硅酸丙酯 正硅酸丁酯
TPOS TBOS
OCH2CH2
EO
OCH2CH2CH2
PO
EO20PO70EO20
P123
EO26PO39EO26
P85
EO17PO59EO17 EO132PO50EO132 EO106PO70EO106 1，3，5－三甲苯
4）过滤，洗涤，干燥； 5）除去模板剂
1998年Nishiyama研究团队首次在平均孔径在1μm的多孔不锈钢载体上用水热 合成法制备出MCM48膜。具体的方法是多孔不锈钢首先在硅前躯体中浸润,之后加入 表面活性剂直到目的配比,搅拌一定时间后,把载体平放到高压釜底与合成液在363K 的温度下一同晶化4天,厚度约0.5~的MCM一48介孔层就在载体上形成。
有机模板剂和无机物种之间的相互作用（如 电荷匹配）是关键，是整个形成过程的主导， Stucky等探索了不同的无机-有机组合，提 出了具有普遍性的合成原理
主要的无机物与表面活性剂的相互作用方式示意 图（短虚线代表氢键，只有SoIo中画出了溶剂▲
常用试剂
名称
缩写
长链烷基三甲基铵 十六烷基三甲基铵
十六烷基三甲基溴化铵
碳材料
碳的同素异形体
金刚石
石墨
富勒烯
Discovered in 1985
• 不溶于有机或无机的溶剂：because molecular bonds are stronger than any intermolecular forces
Cn-s-1
CnTEA CnEOx TEOS TMOS
名称
缩写
正硅酸丙酯 正硅酸丁酯
TPOS TBOS
OCH2CH2
EO
OCH2CH2CH2
PO
EO20PO70EO20
P123
EO26PO39EO26
P85
EO17PO59EO17 EO132PO50EO132 EO106PO70EO106 1，3，5－三甲苯
4）过滤，洗涤，干燥； 5）除去模板剂
1998年Nishiyama研究团队首次在平均孔径在1μm的多孔不锈钢载体上用水热 合成法制备出MCM48膜。具体的方法是多孔不锈钢首先在硅前躯体中浸润,之后加入 表面活性剂直到目的配比,搅拌一定时间后,把载体平放到高压釜底与合成液在363K 的温度下一同晶化4天,厚度约0.5~的MCM一48介孔层就在载体上形成。
有机模板剂和无机物种之间的相互作用（如 电荷匹配）是关键，是整个形成过程的主导， Stucky等探索了不同的无机-有机组合，提 出了具有普遍性的合成原理
主要的无机物与表面活性剂的相互作用方式示意 图（短虚线代表氢键，只有SoIo中画出了溶剂▲
常用试剂
名称
缩写
长链烷基三甲基铵 十六烷基三甲基铵
十六烷基三甲基溴化铵
碳材料
碳的同素异形体
金刚石
石墨
富勒烯
Discovered in 1985
[课件]介孔材料简介PPT
![[课件]介孔材料简介PPT](https://img.taocdn.com/s3/m/12f52c6ff7ec4afe04a1df50.png)
介孔材料的特点
具有规则的孔道结构 孔径分布窄，且在2~50 nm之间可以调节 经过优化合成条件或后处理，可具有很好的 热稳定性和一定的水热稳定性 颗粒具有规则外形，且可在微米尺度内保持 高度的孔道有序性
介孔材料的合成方法
溶胶-凝胶法 水热合成法 微波辐射合成法 相转变法 沉淀法
在医疗方面，介孔材料吸附药剂分子后在药物缓释与靶向释放方面
也有重要应用。
介孔材料的应用
选择性催化
介孔壁对反应物分子有强的相互作用，不同基质和介孔孔径以及介孔阵列对 不同的反应物特别是分子结构差异较大的物质有不同的相互作用和选择性催 化作用。利用不同化学组成的物质制备介孔材料将在选择性定位催化，特别 是高效转化方面具有广泛用途。
微波辐射合成法
晶化阶段用微波辐射合成了介孔材料MCM-41 全微波辐射法，即晶化和脱模均在微波作用下合成出 MCM-41 微波辐射加热不同于传统的加热方式，它是在电磁场 作用下，通过偶极子极化使体系中的极性分子急剧扭 转、摩擦产生热量来实现，具有内外加热、升温速度 快、高效节能、环保卫生等优点。利用全微波辐射法 合成MCM-41介孔分子筛，整个过程用时不到5 h。和 水热法相比，合成时间大大缩短，同时利用微波技术， 高效节能，操作便利，环境污染少。
介孔材料的表征手段
介孔材料表征手段自成一整套体系：
固 态 结 构
小角X射线衍射
x射线晶体衍射
大角X射线衍射
小角X射线衍射：确定是否有wormlike孔结构
大角X射线衍射：确定试样是晶态物质还是不定型物质
介孔材料的表征手段
红外光谱：确定物质的各种基团，确定是否有 骨架结构 示差扫描量热法(DSC)和热重(TG)曲线来研究 在加热过程中所发生化学反应，晶型转变及煅 烧温度等 SEM、TEM是来研究物质的形貌和粒径大小 吸附法来研究介孔材料的比表面和孔径分布
《纳米碳材料》课件
传感器与探测器
纳米碳材料可以作为传感器和探测器 的敏感元件，用于气体、温度、压力 等物理量的检测与控制。
05
纳米碳材料的未来发展 与挑战
提高制备效率与可控性
总结词
提高纳米碳材料的制备效率和可控性是未来发展的重要方向，有助于实现大规模生产和应用。
详细描述
目前纳米碳材料的制备方法主要包括化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等，但这些方法的效 率和可控性仍有待提高。未来需要研究新的制备技术，优化制备条件，实现高效、低成本、大规模的 纳米碳材料生产。
阈值电压和高发射电流密度使得电子能有效地从材料表面发射出来。
光学性质
吸收光谱
纳米碳材料具有宽的吸收光谱范 围，从紫外到可见光再到近红外 。这种特性使得它们在太阳能吸
收和光电器件中有广泛应用。
发光特性
一些纳米碳材料，如碳纳米点， 具有独特的荧光性质，这使得它们 在生物成像、显示技术和照明领域 有潜在的应用。
纳米碳材料的应用领域
总结词
纳米碳材料在许多领域都有广泛的应用前景，如能源、环境、生物医学和电子器件等。
详细描述
在能源领域，纳米碳材料可用于制备高效能电池、超级电容器和太阳能电池等。在环境 领域，纳米碳材料可用于污水处理、空气净化和土壤修复等。在生物医学领域，纳米碳 材料可用于药物输送、生物成像和肿瘤治疗等。在电子器件领域，纳米碳材料可用于制
造高性能电子器件和光电器件等。
02
纳米碳材料的制备方法
化学气相沉积法
化学气相沉积法是一种常用的制备纳米 碳材料的方法，通过将气体反应物在一 定条件下进行化学反应，生成固态物质 并沉积在基底上形成纳米碳材料。
常用的气体反应物包括甲烷、乙炔、苯等烃 类物质，以及氨气、一氧化碳等非烃类物质 。
纳米碳材料可以作为传感器和探测器 的敏感元件，用于气体、温度、压力 等物理量的检测与控制。
05
纳米碳材料的未来发展 与挑战
提高制备效率与可控性
总结词
提高纳米碳材料的制备效率和可控性是未来发展的重要方向，有助于实现大规模生产和应用。
详细描述
目前纳米碳材料的制备方法主要包括化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等，但这些方法的效 率和可控性仍有待提高。未来需要研究新的制备技术，优化制备条件，实现高效、低成本、大规模的 纳米碳材料生产。
阈值电压和高发射电流密度使得电子能有效地从材料表面发射出来。
光学性质
吸收光谱
纳米碳材料具有宽的吸收光谱范 围，从紫外到可见光再到近红外 。这种特性使得它们在太阳能吸
收和光电器件中有广泛应用。
发光特性
一些纳米碳材料，如碳纳米点， 具有独特的荧光性质，这使得它们 在生物成像、显示技术和照明领域 有潜在的应用。
纳米碳材料的应用领域
总结词
纳米碳材料在许多领域都有广泛的应用前景，如能源、环境、生物医学和电子器件等。
详细描述
在能源领域，纳米碳材料可用于制备高效能电池、超级电容器和太阳能电池等。在环境 领域，纳米碳材料可用于污水处理、空气净化和土壤修复等。在生物医学领域，纳米碳 材料可用于药物输送、生物成像和肿瘤治疗等。在电子器件领域，纳米碳材料可用于制
造高性能电子器件和光电器件等。
02
纳米碳材料的制备方法
化学气相沉积法
化学气相沉积法是一种常用的制备纳米 碳材料的方法，通过将气体反应物在一 定条件下进行化学反应，生成固态物质 并沉积在基底上形成纳米碳材料。
常用的气体反应物包括甲烷、乙炔、苯等烃 类物质，以及氨气、一氧化碳等非烃类物质 。
介孔碳纳米结构
介孔碳纳米结构碳材料是一类非常重要的功能性材料，具有广泛的应用前景。
其中，介孔碳材料由于其具有高表面积、均匀的孔径分布和优良的化学稳定性等特点，被广泛研究和应用于各个领域。
本文将对介孔碳纳米结构的制备方法、特性和应用进行综述，以便更加全面地了解该材料。
1. 简介介孔碳材料是一种具有有序孔道结构的碳材料，孔径在2~50纳米之间。
介孔碳纳米结构通常由模板法制备得到，具有均匀的孔道尺寸和大量的孔道体积。
介孔碳材料的制备方法主要包括硬模板法、软模板法和自组装法等。
2. 制备方法2.1 硬模板法硬模板法利用硬模板材料的孔道作为模具，通过碳源物质的沉积和炭化制备介孔碳材料。
常用的硬模板材料包括硅胶、氧化铝和硅化物等。
该方法制备的介孔碳材料具有尺寸可控性好的优点。
2.2 软模板法软模板法利用表面活性剂或高分子聚合物等作为模板，通过控制溶胶-凝胶过程和炭化过程制备介孔碳材料。
常用的软模板包括非离子型和阴离子型表面活性剂、聚合物胶束等。
该方法可以实现孔径和孔壁厚度的可调控。
2.3 自组装法自组装法通过有序排列分子自组装形成介孔材料的孔道结构。
常用的自组装方法包括溶液自组装法和熔融自组装法。
该方法制备的介孔碳材料具有孔道排列有序、孔径均匀的特点。
3. 特性3.1 孔径和孔体积介孔碳材料的孔径通常在2~50纳米之间，具有均匀的孔径分布和大量的孔道体积。
孔道的尺寸和孔道结构对介孔碳材料的吸附、催化和传质等性能具有重要影响。
3.2 比表面积介孔碳材料由于具有大量的孔道结构，因此具有较高的比表面积。
比表面积的增加能够提高材料的吸附能力，使其在吸附、分离、催化等方面具有广泛的应用前景。
3.3 孔道结构介孔碳材料的孔道结构通常具有有序排列的特点，孔径均匀分布。
这种有序孔道结构能够提高物质的传质速率和催化反应效率，具有重要的应用价值。
4. 应用介孔碳材料由于其优秀的特性，在吸附、分离、催化、能源存储和生物医药等领域具有广泛的应用前景。
《碳纳米材料》PPT课件
巴基葱（多层同心球状结构） 巴基管（碳纳米管）
比钻石还硬的材料 ——石墨烯
• 2021年诺贝尔 物理学奖
• 安德烈· 海姆康斯坦丁 ·诺沃肖洛夫
• 获奖原因 • 对石墨烯这一世界上最薄材料的开创性研究
2021年度诺贝尔物理学奖获得者
安德烈·海姆 康斯坦丁·诺沃肖洛夫
发现
Graphene(石墨烯) 是2004年由曼彻斯特大学 科斯提亚•诺沃谢夫（Kostya Novoselov）和 安德烈•盖姆（Andre Geim）发现的，他们使 用的是一种被称为机械微应力技术 （micromechanical cleavage）的简单方法。 正是这种简单的方法制备出来的简单物质—— 石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认 识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定 存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室 温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。
电弧法作为被广泛用于单壁纳米碳管制备的一种方 法，其优点是设备比较简单，产量较大。缺点是产 物中含有较多的催化剂、无定形炭等杂质，需要进 一步的系统提纯；另外纳米碳管的生长是在远离平 衡状态下进行的，这不利于对其生长条件的直接调 控和生长机理的探索，而且比较难于控制电弧的放 电过程，成本也比较高。
• 石墨烯中电子的隧道效应：电子波能百分百地发生隧穿， 事先在一片石墨烯晶 体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般认 为，增加了额外的势垒，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所有的粒子 都发生了量子隧道效应，通过率达100%。这也解释了石墨烯的超强导电性：相对 论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。
电弧放电法
将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在 两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左 右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富 勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。 通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几 种产物的相对产量。
比钻石还硬的材料 ——石墨烯
• 2021年诺贝尔 物理学奖
• 安德烈· 海姆康斯坦丁 ·诺沃肖洛夫
• 获奖原因 • 对石墨烯这一世界上最薄材料的开创性研究
2021年度诺贝尔物理学奖获得者
安德烈·海姆 康斯坦丁·诺沃肖洛夫
发现
Graphene(石墨烯) 是2004年由曼彻斯特大学 科斯提亚•诺沃谢夫（Kostya Novoselov）和 安德烈•盖姆（Andre Geim）发现的，他们使 用的是一种被称为机械微应力技术 （micromechanical cleavage）的简单方法。 正是这种简单的方法制备出来的简单物质—— 石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认 识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定 存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室 温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。
电弧法作为被广泛用于单壁纳米碳管制备的一种方 法，其优点是设备比较简单，产量较大。缺点是产 物中含有较多的催化剂、无定形炭等杂质，需要进 一步的系统提纯；另外纳米碳管的生长是在远离平 衡状态下进行的，这不利于对其生长条件的直接调 控和生长机理的探索，而且比较难于控制电弧的放 电过程，成本也比较高。
• 石墨烯中电子的隧道效应：电子波能百分百地发生隧穿， 事先在一片石墨烯晶 体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般认 为，增加了额外的势垒，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所有的粒子 都发生了量子隧道效应，通过率达100%。这也解释了石墨烯的超强导电性：相对 论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。
电弧放电法
将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在 两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左 右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富 勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。 通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几 种产物的相对产量。
介孔及碳纳米材料
介孔及碳纳米材料介孔材料是一类具有大孔径（2-50纳米）和高比表面积（>100㎡/g）的多孔材料。
多年来，介孔材料在催化、吸附、分离等领域中得到了广泛应用。
碳纳米材料是一类由纯碳构成的纳米材料，具有独特的导电、热导、吸附等性质，在能源储存、催化、生物医学等领域也有重要应用。
本文将重点介绍介孔材料和碳纳米材料的制备方法、表征手段以及应用领域。
首先，介孔材料的制备方法有很多种，如溶胶凝胶法、硅溶胶微乳液法、水热法等。
其中，硅溶胶微乳液法是制备介孔材料最常用的方法之一、该方法利用氯乙烯、三丁基甲基溴化铵等表面活性剂将溶胶稳定在水溶液或有机溶剂中形成微乳液，然后通过添加沸石源或硅源，在高温下水热处理使溶胶凝胶形成介孔材料。
另外，模板法也是制备介孔材料的重要方法，将介孔材料的孔道结构通过模板剂的加入进行调控，可制备出具有特定孔径和形状的介孔材料。
表征介孔材料常用的手段有扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等。
SEM和TEM可以观察介孔材料的表面形貌和内部结构，从而得到材料的粒径大小和孔径分布。
XRD可以分析介孔材料的晶体结构，确定材料的晶相和杂质含量。
此外，氮吸附-脱附技术（BET）也是表征介孔材料孔隙结构的重要手段，通过测量材料在不同相对压力下的吸附量，计算得到孔隙体积和孔径分布。
接下来，我们将重点介绍介孔材料和碳纳米材料在催化、吸附和分离等领域的应用。
在催化领域，介孔材料主要用作催化剂的载体。
由于其高比表面积和孔隙结构的可控性，可以提高催化剂的活性和选择性。
例如，将贵金属催化剂负载到介孔材料上可以提高其稳定性和催化性能。
此外，还可以通过调控介孔材料的孔道结构和酸碱性质，设计出具有特定反应特性的催化剂。
在吸附领域，介孔材料可以用于废水处理、气体吸附等。
具有高孔隙度和大孔径的介孔材料可以有效吸附有机物、重金属等污染物，同时对流体流动的阻力较小，有利于吸附过程的进行。
新材料概论碳纳米管课件
通过化学或物理方法对碳纳米管进行改性， 以提高其分散性和界面稳定性。
环保与可持续性
在合成和使用过程中，考虑碳纳米管的环保 和可持续性问题也正在成为研究热点。
05
碳纳米管的生产与市场产主要采用气相沉积、电弧放 电和激光脉冲等方法。其中，气相沉积法具 有生长速度快、纯度高、可大规模生产等优 点，但设备成本较高。电弧放电法和激光脉 冲法具有设备简单、成本低等优点，但产量 较低。
02 将不同性能的材料进行复合，实现材料的多功能特性
，如强度、韧性、耐磨性、导电性、导热性等。
多功能复合材料应用
03
将多功能复合材料应用于不同的领域，如航空航天、
汽车、能源、生物医学等。
新兴应用领域拓展
01
新一代信息技术
发展新型电子器件、光电器件、 传感器的应用，推动信息技术领 域的创新发展。
02
化学稳定性
碳纳米管在大多数化学环境下都具 有很好的稳定性，使其在化学反应中 具有很好的应用前景。
挑战与瓶颈
01
生产与合成难度
碳纳米管的制备和合成仍存在一 定的挑战，其大规模生产和成本
控制是当前的研究重点。
03
界面稳定性差
在某些应用中，碳纳米管的界面 稳定性较差，可能会影响其性能
。
02
分散与纯化问题
其他制备方法
总结词
其他制备碳纳米管的方法
VS
详细描述
除上述方法外，还有许多其他制备碳纳米 管的方法，如燃烧合成法、溶胶凝胶法等 。这些方法各有优缺点，可根据实际需求 选择合适的方法。
03
碳纳米管的应用领域
纳米电子器件
碳纳米管在制造纳米电子器件方面具有高导电性和稳定性，可以用于制造高灵敏 度的场效应晶体管、逻辑电路和存储器等。
环保与可持续性
在合成和使用过程中，考虑碳纳米管的环保 和可持续性问题也正在成为研究热点。
05
碳纳米管的生产与市场产主要采用气相沉积、电弧放 电和激光脉冲等方法。其中，气相沉积法具 有生长速度快、纯度高、可大规模生产等优 点，但设备成本较高。电弧放电法和激光脉 冲法具有设备简单、成本低等优点，但产量 较低。
02 将不同性能的材料进行复合，实现材料的多功能特性
，如强度、韧性、耐磨性、导电性、导热性等。
多功能复合材料应用
03
将多功能复合材料应用于不同的领域，如航空航天、
汽车、能源、生物医学等。
新兴应用领域拓展
01
新一代信息技术
发展新型电子器件、光电器件、 传感器的应用，推动信息技术领 域的创新发展。
02
化学稳定性
碳纳米管在大多数化学环境下都具 有很好的稳定性，使其在化学反应中 具有很好的应用前景。
挑战与瓶颈
01
生产与合成难度
碳纳米管的制备和合成仍存在一 定的挑战，其大规模生产和成本
控制是当前的研究重点。
03
界面稳定性差
在某些应用中，碳纳米管的界面 稳定性较差，可能会影响其性能
。
02
分散与纯化问题
其他制备方法
总结词
其他制备碳纳米管的方法
VS
详细描述
除上述方法外，还有许多其他制备碳纳米 管的方法，如燃烧合成法、溶胶凝胶法等 。这些方法各有优缺点，可根据实际需求 选择合适的方法。
03
碳纳米管的应用领域
纳米电子器件
碳纳米管在制造纳米电子器件方面具有高导电性和稳定性，可以用于制造高灵敏 度的场效应晶体管、逻辑电路和存储器等。
碳纳米管有序介孔材料PPT文档31页
碳纳米管有序介孔材料
51、山气日夕佳，飞鸟相与还。 52、木欣欣以向荣，泉涓涓而始流。
53、富贵非吾愿，帝乡不可期。 54、雄发指危冠，猛气冲长缨。 55、土地平旷，屋舍俨然，有良田美 池桑竹 之属， 阡陌交 通，鸡 犬相闻 。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ谢谢！
51、山气日夕佳，飞鸟相与还。 52、木欣欣以向荣，泉涓涓而始流。
53、富贵非吾愿，帝乡不可期。 54、雄发指危冠，猛气冲长缨。 55、土地平旷，屋舍俨然，有良田美 池桑竹 之属， 阡陌交 通，鸡 犬相闻 。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ谢谢！
介孔孔道中纳米材料的合成-PPT文档资料
已知的介孔材料的孔道具有 六方、立方及虫孔状等多种结构
In2O3纳米线的合成
方法：一步合成法 特点：形成高度规整的单晶氧化铟纳米线
Yang HL et al., JACS, 2019,125:4724-4725
六方In2O3纳米线的TEM像
[100]方向
[001]方向
选区电子衍射（SAED）像
立方In2O3纳米线的TEM像
应用于Heck偶联反应，Pd催化 剂的用量是普通Pd用量的1/5
纳米Au的合成
方法：Ag催化的非电化学沉积法 特点：合成高度分散的纳米Au
Asefa T, Lennox RB, Chem. Mater., 2019,17(10):2481-2483
硫醇保护脱除SBA-15后的 纳米Au的TEM像
Sing KSW, Everett DH, et al., Pure & Appl. Chem.,1985,57(4):603-619
MCM-41
MCM-48
SBA-15
介孔材料合成机理
Beck JS et al. JACS, 1992,114:10834-108 Huo QS et al., Nature, 1994,368:317-321
介孔材料孔径在一定范围内连续可调，结构稳定， 孔道形状规整均匀有序，是理想的纳米反应器。
优点： 合成的材料尺寸、形状、维数均一可调
介孔孔道中纳米材料的合成方法
一步合成法：
在自组装合成介孔材料料进行后处理 （通过介孔孔道的吸附作用及孔道内表面的Si-OH进行） 浸渍法 原位还原法 离子交换法 电化学沉积法 配位或共价嫁接 气相嫁接法（如化学气相沉积(CVD)）等
手性孔道中合成的 Co纳米线TEM像
第六章 纳米介孔材料
•例
①Siliceous Zeolites from Clear Solutions
1:0.1:0.4 :114
(SiO2/TBA/NaOH/H2O), silatrane silica source,
CEM MSP1000 1000W, 150℃ for 5–20 h after 84 h
aging
• 纳米介孔碳用途
gas separation, water purification, catalyst supports and electrodes for batteries and fuel cells
• 纳米结构SiO2材料包括：
silica sol, zeolites, alumina, and mesoporous silicas
(5) 微波合成法
• 优点：
1) The time required for synthesis is reduced (by over an order of magnitude compared to conventional hydrothermal synthesis).
2) The product can be more uniform in dimensions and composition. 3) Products with more variable compositions can be produced.
• The templates are introduced as ligands covalently bonded to silica precursors.
• The type of ligand
Figure. Examples of precursors used in the covalently bonded organic template approach showing matrix precursor (1), and pendant (2), polymerizable (3), and bridging templates (4).
①Siliceous Zeolites from Clear Solutions
1:0.1:0.4 :114
(SiO2/TBA/NaOH/H2O), silatrane silica source,
CEM MSP1000 1000W, 150℃ for 5–20 h after 84 h
aging
• 纳米介孔碳用途
gas separation, water purification, catalyst supports and electrodes for batteries and fuel cells
• 纳米结构SiO2材料包括：
silica sol, zeolites, alumina, and mesoporous silicas
(5) 微波合成法
• 优点：
1) The time required for synthesis is reduced (by over an order of magnitude compared to conventional hydrothermal synthesis).
2) The product can be more uniform in dimensions and composition. 3) Products with more variable compositions can be produced.
• The templates are introduced as ligands covalently bonded to silica precursors.
• The type of ligand
Figure. Examples of precursors used in the covalently bonded organic template approach showing matrix precursor (1), and pendant (2), polymerizable (3), and bridging templates (4).
《介孔碳材料》PPT课件
碳材料（部分）的微反应体
系
姚月 110924
Contents
1 background 2 Meso-porous carbon materials 3 microreactor 4 实验部分
LOGO
多孔材料
• Porous carbon materials have been applied to gas separa tion, water purification, catalyst supports, and electrodes for electrochemical double layer capacitors and fuel cells .
Catal Lett (2009) 129:20–25
Meso-porous
固定床数据
交换4次后 浸渍法添加助剂Ce，Sn，Gr， Al ，Z n
Y Axis Title
1000 800 600 400 200 0 0
20110827
10
20
30
40
50
X Axis Title
vol1311220094543ppt课件纳米微反应器chemicalengineeringscience66201153665373ppt课件借助微通道反应器的特点进行的化学反应的改进appliedcatalysisenvironmental1022011232242ppt课件10ppt课件11anational Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) recommendation, porous carbon mat erials can be classified into three types based on their po re sizes: microporous< 2 nm, 2 nm<meso-porous< 50 nm , and macroporous> 50 nm.
系
姚月 110924
Contents
1 background 2 Meso-porous carbon materials 3 microreactor 4 实验部分
LOGO
多孔材料
• Porous carbon materials have been applied to gas separa tion, water purification, catalyst supports, and electrodes for electrochemical double layer capacitors and fuel cells .
Catal Lett (2009) 129:20–25
Meso-porous
固定床数据
交换4次后 浸渍法添加助剂Ce，Sn，Gr， Al ，Z n
Y Axis Title
1000 800 600 400 200 0 0
20110827
10
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vol1311220094543ppt课件纳米微反应器chemicalengineeringscience66201153665373ppt课件借助微通道反应器的特点进行的化学反应的改进appliedcatalysisenvironmental1022011232242ppt课件10ppt课件11anational Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) recommendation, porous carbon mat erials can be classified into three types based on their po re sizes: microporous< 2 nm, 2 nm<meso-porous< 50 nm , and macroporous> 50 nm.
碳材料科学课件
一是强度在100MPa以上，模量在10GPa以上使用时不必后加工 的方法制得的新型炭成型物；
二是以炭为主要构成要素，与树脂、陶瓷、金属等组成的各 种复合材料；
三是基本上利用炭结构的特征，由炭或炭化物形成的各种功 能材料。
3、“炭”与“碳”的区别
Carbon as element Carbon as material
➢化学工业：化工设备，过滤器等；
➢体育器材：球杆，球拍，自行车等；
➢…………
学习交流PPT
28
五、炭材料的发展史
1、第一代（5千—1万年前） 2、第二代（十九世纪） 烧结型炭材料（人造石
墨） 3、第三代（第二次世界大战后） 4、二十世纪八十年代中叶以后
学习交流PPT
29
第一代 炭材料
天然物质加热，利用炭的化学性质，作燃料和还 原剂炼铜和炼铁
Philadelphia, PA, USA
Tokyo, Japan
b. 1936
b. 1学9习27交流PPT
b. 1936
20
Andre Geim
Konstantin Novoselov
The Novel Prize in physics 2010 honours two scientists. They have succeed in producing, isolating, identifying and characterizing graphene.
第六部分 炭科学研究的新进展（4-6学时）
一、金刚石薄膜 二、富勒烯与纳米洋葱 三、纳米碳管 四、碳包覆纳米金属晶
考试：2学时
学习交流PPT
10
考核：
1、出勤计入成绩（权重10%）；
二是以炭为主要构成要素，与树脂、陶瓷、金属等组成的各 种复合材料；
三是基本上利用炭结构的特征，由炭或炭化物形成的各种功 能材料。
3、“炭”与“碳”的区别
Carbon as element Carbon as material
➢化学工业：化工设备，过滤器等；
➢体育器材：球杆，球拍，自行车等；
➢…………
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五、炭材料的发展史
1、第一代（5千—1万年前） 2、第二代（十九世纪） 烧结型炭材料（人造石
墨） 3、第三代（第二次世界大战后） 4、二十世纪八十年代中叶以后
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第一代 炭材料
天然物质加热，利用炭的化学性质，作燃料和还 原剂炼铜和炼铁
Philadelphia, PA, USA
Tokyo, Japan
b. 1936
b. 1学9习27交流PPT
b. 1936
20
Andre Geim
Konstantin Novoselov
The Novel Prize in physics 2010 honours two scientists. They have succeed in producing, isolating, identifying and characterizing graphene.
第六部分 炭科学研究的新进展（4-6学时）
一、金刚石薄膜 二、富勒烯与纳米洋葱 三、纳米碳管 四、碳包覆纳米金属晶
考试：2学时
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10
考核：
1、出勤计入成绩（权重10%）；
第五章碳纳米材料
富勒烯
• 任何由碳一种元素组成，以球状，椭球状，或管状结构存在的物质， 都可以被叫做富勒烯。 • 巴克球、巴基球 • 巴克管、碳纳米管
克罗托Harold W. Kroto University of Sussex 斯莫利Richard E. Smalley Rice University 柯尔 Robert Curl Rice Un n 2 - 2mncos2 / 3 / a m 2 n 2 mn /
tan n 3/ 2 /(m n/ 2 )
arctan n 3 /(2m n)
碳纳米管的分类-按手性分类
• Grouped according to – Armchair: n=m, =30°
在石墨平面中， 碳原子结合在一起形成六角网状结构的碳原子平面
a1
a2
石墨平面的单胞基矢
选石墨平面中任一碳原子O 做原点,再选 另一个碳原子A ,从O 到A 的矢量为
R ma na
1
2
将石墨平面卷曲成一个圆柱,在卷曲过程中 使矢量末端的碳原子A 与原点上的碳原子 O 重合,然后在石墨圆柱的两端罩上碳原子 半球面,这样就形成了一个封闭的碳纳米管。 （m，n）称为碳纳米管的指数
分子材料稳定得多。
碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，
碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料 力学性能各向异性，轴向和径向的力学性能差异大。
碳纳米管的结构特征
• 管状的碳分子，六边形管壁， 五边形封端。
• 五边形时碳纳米管就会凸出， 七边形出现则会使其凹进
• 管上每个碳原子采取SP2杂 化，整个碳纳米管的共轭π 电子云。 • 长度和直径的比非常大，可 达103～106
介孔材料PPT课件
28
AMS 系列： AMS 是Che 等人采用阴离子表面活性剂作为结构导向剂，以 含氨基的硅源3-氨丙基三甲氧基硅烷（APS）和含季铵盐的硅源N-三甲氧 基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵（TMAPS）作为助结构导向剂合成得到的。 该类材料具有均匀分布的有机官能团，可控的介孔结构及孔径大小。其 中，AMS-1 是三维六方结构，AMS-2 是具有调变结构的笼状结构，AMS-3 是二维六方结构，AMS-6 是双连续立方相Ia3d ，AMS-8 是立方相Fd3m 结 构，AMS-9 是四方相P42/mnm结构，AMS-10 是双连续立方相Pn3m结构。 另外，作为AMS 系列中很特殊的一类，Che等人利用手性的氨基酸表面 活性剂和助结构导向剂以及硅源合成了一类新型的介孔硅材料，即手性 介孔硅材料，其外形为螺旋六方棒状，内部具有螺旋孔道结构。这个发 现不仅进一步拓展了介孔材料的合成体系，而且为催化分离、药物的选 择性吸附等开创了广阔的应用前景。
26
MSU 系列：该系列由Pinnavaia 等人制备而成。这是一类用 聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂为模板合成的孔道为蠕虫状 的介孔材料。这种结构有利于客体分子在孔道内的扩散，消 除扩散限制。
KIT 系列：该系列由Ryoo 等人合成。其中，KIT-1 是一种结 构无序的介孔氧化硅材料。KIT-6 是在Pluronic P123 （EO20PO70EO20）导向下，通过添加正丁醇而得到的具有立 方Ia3d 结构的介孔氧化硅材料。
16
2004年，Liang等通过EISA过程使PS-P4VP型嵌段共聚物与间苯二酚组装得到 周期性复合结构，然后用甲醛蒸气处理，使间苯二酚聚合得到嵌段共聚物－酚醛 树脂复合材料，通过一个直接碳化的过程，可以除掉模板剂，得到高度有序的介 孔碳膜，其孔径为35 nm。
AMS 系列： AMS 是Che 等人采用阴离子表面活性剂作为结构导向剂，以 含氨基的硅源3-氨丙基三甲氧基硅烷（APS）和含季铵盐的硅源N-三甲氧 基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵（TMAPS）作为助结构导向剂合成得到的。 该类材料具有均匀分布的有机官能团，可控的介孔结构及孔径大小。其 中，AMS-1 是三维六方结构，AMS-2 是具有调变结构的笼状结构，AMS-3 是二维六方结构，AMS-6 是双连续立方相Ia3d ，AMS-8 是立方相Fd3m 结 构，AMS-9 是四方相P42/mnm结构，AMS-10 是双连续立方相Pn3m结构。 另外，作为AMS 系列中很特殊的一类，Che等人利用手性的氨基酸表面 活性剂和助结构导向剂以及硅源合成了一类新型的介孔硅材料，即手性 介孔硅材料，其外形为螺旋六方棒状，内部具有螺旋孔道结构。这个发 现不仅进一步拓展了介孔材料的合成体系，而且为催化分离、药物的选 择性吸附等开创了广阔的应用前景。
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MSU 系列：该系列由Pinnavaia 等人制备而成。这是一类用 聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂为模板合成的孔道为蠕虫状 的介孔材料。这种结构有利于客体分子在孔道内的扩散，消 除扩散限制。
KIT 系列：该系列由Ryoo 等人合成。其中，KIT-1 是一种结 构无序的介孔氧化硅材料。KIT-6 是在Pluronic P123 （EO20PO70EO20）导向下，通过添加正丁醇而得到的具有立 方Ia3d 结构的介孔氧化硅材料。
16
2004年，Liang等通过EISA过程使PS-P4VP型嵌段共聚物与间苯二酚组装得到 周期性复合结构，然后用甲醛蒸气处理，使间苯二酚聚合得到嵌段共聚物－酚醛 树脂复合材料，通过一个直接碳化的过程，可以除掉模板剂，得到高度有序的介 孔碳膜，其孔径为35 nm。
介孔材料专题教育课件
主要内容
• 合成机理 • 介孔氧化硅 • 合成策略 • 介孔材料构成旳扩展 • 形貌控制 • 应用研究进展
常见多孔材料旳孔分布
常见多孔材料旳孔分布比较
有序介孔材料 (Ordered Mesoporous)
M41S系列介孔材料构造简图
优点
具有高度有序旳孔道构造 孔径呈单一分布，调控（1.3－30 nm） 具有不同旳构造、孔壁（骨架）构成和性质 经过优化合成或后处理，可具有很好旳稳定性 无机组分旳多样性； 高比表面，高孔隙率； 颗粒可能具有规则外形，具有不同形体外貌 在微构造上, 介孔材料旳孔壁为无定形 广泛旳应用前景, 大分子催化、生物过程等。
缩写 CnTMA CTA， C16TMA CTAB， C16TMABr CTAC， C16TMACl Cn-s-n
Cn-s-1
CnTEA CnEOx TEOS TMOS
名称 正硅酸丙酯 正硅酸丁酯
缩写 TPOS TBOS
OCH2CH2
EO
OCH2CH2CH2
PO
EO20PO70EO20
P123
EO26PO39EO26
Mg、Al、Ga、Mn等氧化物(层状)、氧化铝 (六方)、氧化镓 (六方)、氧化钛(六方)、 氧化锡(六方)
氧化锌(层状)、氧化铝
HMS (接近六方)
MSU-X (接近六方)、氧化物（Ti，Al，Zr，Sn 六方）
SBA-15 (六方)
N0F-I+
氧化硅(六方)
• 具有金属旳氧化硅(六方、立
(S0Mn+)I0
– 当ＩＩ＞ＯＯ时，此时控制反应温度、缩短反应 时间等，使无机物种旳缩聚反应处于动力学不利 旳状态下进行以减小无机物种对产物构造旳影响， 使ＯＩ界面作用控制整个合成过程中旳相转变， 产物中旳有机物依托凡德华力结合后被包藏在产 物旳笼或孔道构造中，此时即为微孔分子筛旳合 成。
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P103 P108 F127 TMB
表面活性剂、胶束及液晶
CTAB－水体系相图
MCM41的制备
方法：水热合成法，室温法、微波合成法、湿胶焙 烧法、相转变法及在非水体系中的合成法等。 合成原材：无机物种(形成介孔材料骨架元素的物质 源)、表面活性剂(形成介孔材料的结构导向剂)、溶剂 (通常为水）
合成路线：
有序介 孔材料
无序介 孔材料
硅基材料
非硅基材料
不同系列的介孔材料
M41S 系列：1992 年Mobil 公司合成出了M41S 系列介孔材 料，包括三个成员：二维六方的MCM-41（p6mm）、双连 续立方的MCM-48（ Ia3d ）和层状的MCM-50。M41S 介孔 材料是在用阳离子表面活性剂作为模板剂合成的，首次在介 孔材料合成中引入了超分子组装体的模板的概念，被认为是 新一代介孔材料诞生的标志。
HMS 系列：这是Pinnavaia 等人利用长 链伯胺分子做模板剂合成的一类有序度不 高的介孔材料。他们认为反应是按照S0I0 途径通过氢键作用而生成。与利用阳离子 表面活性剂合成的介孔材料相比，HMS 材料的孔壁较厚、热稳定性和水热稳定性 都有所提高，并且具有反应条件温和、模 板剂可以回收利用等优点。
• 表面活性剂即可以是阳离子型的又可以是阴 离子型的,甚至还可以是中性的。
阳离子型的季铵盐类表面活性剂最为普遍 例如:十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)
• 单体或齐聚物（寡聚体）是那些可以在一定 条件下(浓度、温度、压力、pH值等)聚合成 无机陶瓷、玻璃等凝聚态物质的无机分子（ 有时在聚合之前需要解聚、水解等过程）。 例如：正硅酸乙酯（TEOS）、钛酸丁酯、 硅溶胶、硅酸钠、无定形二氧化硅.
MCM-48分子筛膜的制备技术
大部分有序介孔分子筛膜是在多孔载体如氧化招、不诱钢等上 进行水热合成,
开放性孔道结构 的介孔材料
1）将模板剂溶解在水 中，并调节溶液至恰 当的pH值； 2）加入前驱物进行溶 液化学反应，经历溶 胶-凝胶过程获得沉淀； 3）在室温或者更高温 度（水热）进行老化、 陈化处理；
• 与物理法相比较。化学法可 制得纯净且粒径分布均匀的 超细SiO2颗粒。化学法包 括化学气相沉积(CVD)法、 液相法、离子交换法、沉淀 法和溶胶凝胶(Sol-Gel)法等 但主要的生产方法还是以四 氯化硅为原料的气相法.硅 酸钠和无机酸为原料的沉淀 法和以硅酸醋等为原料的溶 胶凝胶法。
• P121
MCM41的合成过程示意图
MCM-41的合成机理
Kresge C T, Leonowicz M E, Roth W J, et al. Nature, 1992, 359: 710-712. Beck J S, Vartuli J C, Roth W J, et al. J. Am. Chem. Soc., 1992, 114: 10834-10843
纳米二氧化硅的性质及应用
纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因 其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、 分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性 、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不 可取代的作用。纳米二氧化硅俗称“超微细白炭黑”，广泛用于各行 业作为添加剂、催化剂载体，石油化工，脱色剂，消光剂，橡胶补强 剂，塑料充填剂，油墨增稠剂，金属软性磨光剂，绝缘绝热填充剂， 高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。
FDU-5 用luronic P123 导向合成的具有双连续立方空 间对称性的介孔材料；
FDU-12 是用Pluronic F127（EO106BO70EO106）导向 合成的，具有Fm3m的空间对称性和笼状结构，笼的尺 寸为10-12 nm，窗口尺寸为4-9 nm 可调。
赵东元
• 复旦大学教授、博导，中科院院士。 • 1963年6月出生于辽宁沈阳。2007年被增选为中科院院士。 • 2010年被增选为第三世界科学院（TWAS）院士。 • 主要从事沸石分子筛、纳米介孔材料合成等方向的研究工作，
• 不导电：because electrons are localized in specific bonds
多孔材料的主要应用
➢ 传统应用三大领域
吸附 催化 离子交换
➢ 吸附材料,用于工业与环 境上的分离与净化、干燥 等领域。
➢ 催化材料,用于石油加工、 石油化工、煤化工与精细 化工等领域中大量的工业 催化过程的需要。
➢ 离子交换材料，大量用于 洗涤剂工业，矿厂与放射 性废料及废液的处理。
多孔材料的分类
EISA 的合成技术采用的是典型的sol-gel 化学。首先，在有机溶 剂中，硅源（TEOS）在微量酸的催化下发生预水解，生成硅的 低聚体，并与表面活性剂发生相互作用。在溶剂的挥发过程中， 硅物种进一步发生交联、聚合，表面活性剂浓度增大。在这个 过程中，表面活性剂经过了分子、胶束、液晶的不同形态，最 后，它与无机硅形成的二元液晶相被固定下来。
介孔二氧化硅与纳米二氧化硅
• 多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构 成网络结构的材料。
• 多孔材料 一般具有一定的空间结构和较大的 比表面积，从而使得其相对密度低、比强度 高。
• 具有重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点;
• 在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、 石化、机械、医药和环保等诸多领域具有广 泛的应用。
SBA-1，2，3，7 是以阳离子表面活性剂为模板剂在强 酸性条件下合成的
SBA-11，12，14，15，16 是以嵌段聚合物如聚环氧乙 烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷（PEO-PPO-PEO）等为结构导 向剂在强酸条件下合成的。
SBA-15 由于有序度高、壁厚、热（水热）稳定性好，模 板剂价格便宜、无毒，而且合成简单、易重复、孔径大（5 ～30 nm 可调）而备受关注，吸引着许多科学家投身到对其 结构特征、骨架修饰以及应用开发的研究中。
2020/4/15
碳材料
碳的同素异形体
金刚石
石墨
富勒烯
Discovered in 1985
碳纳米管
Discovered in 1991
石墨烯
Discovered in 2004
carbon atoms
金刚石
• 碳原子以sp3 杂化的方式 与其它4个碳原子连接形 成大的和无机物种之间的相互作用（如 电荷匹配）是关键，是整个形成过程的主导， Stucky等探索了不同的无机-有机组合，提 出了具有普遍性的合成原理
主要的无机物与表面活性剂的相互作用方式示意 图（短虚线代表氢键，只有SoIo中画出了溶剂▲
常用试剂
名称
缩写
长链烷基三甲基铵 十六烷基三甲基铵
十六烷基三甲基溴化铵
发明了18种以上以复旦大学命名的新型纳米介孔材料。在国 际重要刊物上发表SCI论文500余篇，论文被广泛引用（3.0万 次）。 • 现任国际刊物英国皇家化学会Journal of Materials Chemistry副 主编，Journal of Colloid Interface Science编辑。
高度有序的二维 六方孔道结构
高度有序的立方孔道 结构
SBA 系列（Santa Barbara Amorphous）：该
系列的介孔材料是由Stucky 等人在酸性介质中合成得到 的，包括SBA-1、SBA-2、SBA-3、SBA-7、SBA-11、 SBA-12、SBA-14、SBA-15、SBA-16等。其中
Brinker等提出
Sanchez等提出
1）将模板剂和前驱物溶解在易挥发的溶剂中形成均一的溶液； 2）将溶液缓慢挥发，直至凝固； 3）在一定温度下老化处理使产物完全交联固化； 4）除去模板剂，方法与水相合成相同。
• 溶剂挥发自组装方法与水相合成最大不同在 于无需经过前驱物和结构导向剂从溶剂中分 相沉淀出来的过程，从而降低了对前驱物溶 胶凝胶过程的控制要求以及前驱物与模板分 子协同组装的控制要求。另外，EISA的方法 更适合于制备薄膜和单片材料。
介孔材料合成的基本特征
• 有机－无机液晶相（介观结构）的生成是 利用具有双亲性质(含有亲水和疏水基团) 的表面活性剂有机分子与可聚合无机单体 分子或齐聚物(无机源) 自组织生成有机物 与无机物的液晶织态结构相。
• 介孔材料的生成是利用高温热处理或其他 物理化学方法脱除有机模板剂（表面活性 剂）,所留下的空间即构成介孔孔道。
Cn-s-1
CnTEA CnEOx TEOS TMOS
名称
缩写
正硅酸丙酯 正硅酸丁酯
TPOS TBOS
OCH2CH2
EO
OCH2CH2CH2
PO
EO20PO70EO20
P123
EO26PO39EO26
P85
EO17PO59EO17 EO132PO50EO132 EO106PO70EO106 1，3，5－三甲苯
纳米二氧化硅的制备
法 两 种
方 法 分 为
物
目 前 纳
米
SiO2
理
法
和的
化制
学备
制备
• 物理法
• 物理法一般指机械粉碎法。 利用超级气流粉碎机或高能 球磨机将SiO2,的聚集体粉 碎可获得粒径1～5微米的超 细产品。该法工艺简单但易 带入杂质.粉料特性难以控 制，制备效率低且粒径分布 较宽。
• 化学法
➢溶剂挥发自组装方法可用于合成介孔膜或介孔单片 （monolith）材料。溶剂挥发自组装是在非水环境中实 现的。其基本过程是，
➢具有一定粘度的溶胶的制备 ➢载体以浸涂、旋涂或浇铸的方式与溶胶接触,在载体表面形成一 层薄的液态膜; ➢挥发性的溶剂迅速挥发,富集了非挥发性的组分,促进硅酸盐低聚 体与表面活性剂之间的协同自组装作用,进而形成类液晶介观相
有序介孔材料的自组装合成
Surfactant