(整理)多孔材料化学自学材料-.

多孔材料化学

引言

什么是材料？

材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。

――师昌绪主编：《材料大辞典》p.58

材料是“具有一定性能的物质, 可以用来制成一些机器、器件、结构和产品”

美国科学院、美国工程院联合编写《材料：人类的需求》

综合起来较好的定义：材料是人类社会能够接受的、经济地制造有用器件的物质

材料的分类

按材料的组成分类

金属材料

钢铁材料、非铁材料、合金

有机高分子材料

天然的、合成的

无机非金属材料

陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷

复合材料

按材料的用途分类

结构材料：支撑件、连接件、传动件、紧固件等

功能材料：磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、敏感材料、能源材料、生物医学材料等

结构材料与功能材料的划分并不严格

按材料内部原子排列情况分类

晶态材料

非晶态材料

液态材料

气态材料

从材料尺度角度分类

三维材料

块体材料

二维材料

薄膜、涂层等 (金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)

一维材料

纤维、晶须等 (光导纤维、高强纤维)

零维材料

粉体

新材料的发展方向

高性能化、高功能化、高智能化

复合化

极限化

仿生化

环境友好化

定义：材料化学是材料科学的一个重要组成部分，在化学学科中通常也称为“固体化学”。材料化学介绍的是从化学角度来进行材料科学研究所需要的基本知识。

研究内容

材料中原子、离子或分子的排列方式、不同组成间的化学反应等

材料制备工艺过程中的化学问题

材料的化学性质以及其他各类性质中的化学因素

材料的化学效能如何

材料的四要素

成份/结构、制备/合成、性能和使用效能及其关系

第一章绪论

1.1 什么是多孔化合物(多孔物质，多孔材料)？

多孔化合物与以多孔化合物为主体的多孔材料，它们的共同特点是具有规则而均匀的孔道结构：孔道的大小、形状；孔道的维数、孔道的走向、孔壁的组成与性质。

孔道的大小尺寸是多孔结构中最重要的的特征。

根据国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的定义，多孔材料（porous material）可按孔径大小分为三类：

小于2纳米为微孔(micropore); 2～50纳米为介孔(mesopore)，意思是介于微孔和大孔之间；大于50纳米为大孔(macropore)。

有时也将小于0.7nm的微孔为超维微孔，大于1μm的大孔为宏孔（macropore）。

以上分类是基于孔直径，或更随意一点地说为孔宽，其中介孔固体属于纳米材料领域的范围

1.2 多孔材料的发展历史

1756年瑞典科学家Cronsted发现第一种天然沸石（zeolite）—辉沸石(STI)以来,至今已发现的天然沸石有30多种。人工合成沸石的研究始于40年代,已有120多种不同结构的沸石分子筛问世...

多孔材料发展轨迹：

1. 天然沸石到合成沸石；

2. 低硅沸石到高硅沸石；

3. 从微孔到超大微孔；

4. 从超大微孔到介孔；

5. 从无机多孔骨架到有机多孔骨架。

1.3 多孔材料主要应用领域

•吸附材料。用于工业与环境上的分离与净化、干燥等。

•催化材料。用于石油加工、石油化工、煤化工领域中大量的工业催化工程的需要。

•离子交换材料。大量用于洗涤工业、矿产与放射性废料及废液的处理等。

1.4 多孔材料化学的主要任务

化学最重要的任务是创造新物质。同样，合成与制备是材料化学的核心，它总是处于学科发展的前沿。

在多孔材料化学的研究中，一般是“合成－结构－性能” 的研究模式。同时也常有“拟向而行” 的模式：以功能为导向进行结构的设计，逐步实现对特定功能与结构的化合物及材料的定向合成。

复习题

1.多孔材料的定义？

2.根据孔径大小，孔材料分哪几类？

3.多孔材料主要的应用领域？

第二章微孔化合物结构简介

已经知道, 2纳米以下的孔为微孔，那么其中具有规则的微孔孔道结构的物质称为微孔化合物（microporous compounds）或分子筛（molecular sieves）。

分子筛、沸石、微孔材料三个概念间的关系。

1932年McBain提出了“分子筛”的概念，表示在分子水平上筛分分子的多孔材料。

具有分子筛作用的物质很多，如：天然的及合成的沸石，碳分子筛，微孔玻璃，某些有机高聚物，某些无机物的薄膜等，其中沸石应用最广。

沸石（zeolite）是人们最早发现的天然微孔硅铝酸盐(natural aluminosilicate), 最早发现存在于玄武岩的孔洞中，到19世纪末发现主要存在于沉积岩中。我国最大的沸石矿所在县——浙江缙云县。

虽然沸石只是分子筛中的一种，但是沸石在其中最具代表性，因此“沸石”和“分子筛”这两个词经常被混用。所以三者间的范畴：沸石<分子筛<微孔化合物

沸石分子筛是无机微孔晶体化合物中最重要的家族，国际分子筛协会（IZA）公布的分子筛骨架结构类型：2001年133种；2003年145种；2005年165种；2007年176种。IZA 主页

分子筛的结构

2.1 初级结构单元

分子筛是由TO4四面体之间通过共享顶点而形成的三维四连骨架

2.2 次级结构单元（SBU）

每个顶点代表一个T原子，两个T原子间的O原子被省略。SBU中的T原子最多可达16个。

3.1骨架的组成

1)硅铝酸盐的分子筛的骨架由SiO4 AlO4四面体组成。硅原子和铝原子半径相近，四面体中硅铝的排布或分布很难由常规的结构测定方法加以确定。但规则（lowenstein规则）之一是四面体位置上的两个铝原子不能相邻：Al－O－Al连接是禁止的。四面体中Al(4Si)，Si(0Al4Si), Si(1Al3Si), Si(2Al2Si), Si(3Al1Si), Si(4Al0Si)。

习惯上把SiO2/Al2O3摩尔比为2.2～3.0的叫作X型分子筛，大于3.0的叫作Y型分子筛