醇分子和自生压力对开放骨架磷酸铝晶化过程的影响研究

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沸石分子筛等无机微孔晶体材料由于其规则的孔道结构,良好的热稳定性和化学稳定性,大的比表面积等优异的特点,被广泛应用于工业生产和日常生活中的各个领域。自从这类材料被开发和使用以来,其形成机理就一直是人们研究的重点。微孔晶体材料合成过程中的反应非常复杂,尽管人们对其晶化机理进行了大量的研究,也提出了许多观点,但至今仍没有一个广为接受的晶化机制,目前关于微孔晶体材料的合成仍然是以试错的模式进行。为了降低合成的盲目性,实现定向设计合成开发具有特定功能的微孔材料,需要对晶化机理有较为清晰的认知。开放骨架磷酸铝是无机微孔晶体材料中重要的一员,其组成结构十分丰富,合成体系相比传统分子筛体系相对简单,可调变的参数较少,非常适合晶化机理的研究。研究开放骨架磷酸铝的晶化机理有助于我们加深对沸石分子筛等无机微孔晶体材料晶化过程的认知,从而更好地指导合成。本论文以开放骨架磷酸铝为研究对象,将有机醇溶剂作为反应溶剂或反应添加剂引入合成体系,系统研究了有机醇分子在磷酸铝分子筛合成过程中的影响以及自生压力对开放骨架磷酸铝晶化过程的影响,所取得的结果概述如下:1.以三乙胺为结构导向剂,分别使用水、乙二醇和三乙二醇三种不同的溶剂,在水热或溶剂热条件下合成出了三种高度结晶但热稳定性差异很大的磷酸铝分子筛AlPO4-5,其中三乙二醇为溶剂合成出的AlPO4-5在300°C时完全塌陷转化为鳞石英致密相。热重分析和C H N元素分析以及13C交叉极化魔角旋转核磁共振分析确认了,在溶剂热合成过程中,大的有机分子如乙二醇分子和三乙二醇分子可以进入到AlPO4-5十二元环孔道中,这是有关大的溶剂分子进入有机模板剂分子占据的磷酸铝分子筛孔道中的首次报道。在煅烧过程中,小的分子如水分子可以快速地从孔道中逸出而不与孔道壁产生强烈的相互作用,而大的溶剂分子如乙二醇分子和三乙二醇分子在加热脱除期间会与孔道壁产生较长时间的相互作用,进而可能导致骨架的塌陷。在相同的温度下,分子平均动能相同,孔道内分子越大,运动速度越慢,对孔道壁的作用时间越长,导致其热稳定性下降更为明显。2.以二正丙胺为结构导向剂,分别使用水和三乙二醇两种不同的溶剂,在水热或溶剂热条件下合成出了两种高度结晶且热稳定性良好的磷酸铝分子筛AlPO4-11。热重分析结合13C交叉极化魔角旋转核磁共振分析确认了,在溶剂热合成过程中,三乙二醇溶剂分子进入到有机模板剂占据的AlPO4-11十元环孔道中,在合成过程中可能起到了共模板的作用,在AlPO4-11的晶体成核阶段与结构导向剂二正丙胺共同作为无机物种自组装的中心。3.以三乙胺为结构导向剂,在180°C水热条件下,从摩尔比为1Al2O3:1.5P2O5:3.5TEA:80H2O的初始凝胶中晶化出具有三维八元环孔道结构的磷酸铝分子筛AlPO4-18,而在上述体系中引入少量异丙醇溶剂,晶化产物为一维十二元环孔道结构的磷酸铝分子筛AlPO4-5。通过粉末X射线衍射、晶化过程液相pH值变化、扫描电镜、热重分析、C H N元素分析和13C交叉极化魔角旋转核磁共振分析等手段,对两种体系下的晶化产物和晶化过程进行了研究。研究表明,异丙醇溶剂分子通过改变晶化过程中反应体系的酸碱环境,影响了合成体系液相中的物种种类和分布以及物种之间反应平衡的移动,改变了合成体系的晶化方向,表现为异丙醇改变了三乙胺的结构导向效应,导向生成不同的分子筛结构。4.以三乙二醇为反应溶剂,研究了结构导向剂分别为三乙胺、环己胺、四乙基氢氧化铵、正丙胺、二正丙胺和三乙烯二胺六个合成体系在常压及自生压力条件下的合成情况,考察了加热方式(直接加热和烘箱加热)及压力对晶化过程和晶化产物的影响。实验过程中,我们首次发现了压力对有机胺(铵)结构导向效应的影响。以三乙胺、环己胺和四乙基氢氧化铵为结构导向剂的合成体系,在常压条件下可快速晶化生成磷酸铝分子筛AlPO4-5,而以正丙胺,二正丙胺和三乙烯二胺为结构导向剂的合成体系,在常压下未导向生成任何开放骨架磷酸铝化合物;在自生压力下,从上述完全相同的初始凝胶晶化出了完全不同于磷酸铝分子筛AlPO4-5的二维和三维开放骨架磷酸铝化合物。采用原位热重-质谱分析研究了以三乙胺为结构导向剂的合成体系的晶化过程,确认了在常压晶化过程中的关键阶段,探究了合成过程中有机物小分子碎片离子的存在形态,讨论了压力在开放骨架磷酸铝合成过程中的作用。研究表明,自生压力通过改变反应物的物理和化学性质影响了合成体系中的物种种类及分布,进而改变了合成体系的晶化方向,表现为压力改变了有机胺(铵)的结构导向作用。
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