Modyfikowane nanoporowate adsorbenty krzemionkowe: otrzymywanie, właściwości, zastosowanie

Choma, J.; Jaroniec, M.; Kloske, M.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Modyfikowane nanoporowate adsorbenty krzemionkowe: otrzymywanie, właściwości, zastosowanie

Autorzy

Choma J. , Jaroniec M. , Kloske M.

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://biuletynwat.pl/

Identyfikatory

Warianty tytułu

Modified nanoporous siliceous adsorbents: synthesis, properties and applications

Języki publikacji

Abstrakty

Uporządkowane nanoporowate materiały krzemionkowe powstają w wyniku procesów samouporządkowania się makrocząsteczek. Materiały te już dzisiaj są stosowane w procesach adsorpcji i katalizy. Różnorodne modyfikacje strukturalnych i powierzchniowych właściwości tych materiałów znacznie zwiększają możliwość ich praktycznego zastosowania. Procesy te polegają na wbudowywaniu w strukturę amorficznej krzemionki rozmaitych pierwiastków bądź też grup organicznych oraz na przyłączaniu do krzemionkowej powierzchni porów tych materiałów najróżniejszych nieorganicznych i organicznych grup funkcyjnych. W niniejszej pracy omówiono na podstawie analizy literatury syntezę modyfikowanych uporządkowanych materiałów krzemionkowych i metody stosowane do charakterystyki tych materiałów, a także przedyskutowano ich potencjalne zastosowania. Szczególną uwagę poświęcono metodom adsorpcyjnego badania właściwości modyfikowanych uporządkowanych mezoporowatych materiałów krzemionkowych typu MCM-41.

Ordered nanoporous siliceous materials can be formed via supramolecular self-assembly process. These materials found already application in adsorption and catalytic processes. Various modifications of the surface and structural properties of these materials increase their application opportunities. These modifications involve incorporation of various inorganic species and organic functional groups into the amorphous silica framework as well as attachment of these groups into siliceous pore walls. In this article we review the literature on the synthesis of modified ordered nanoporous silicas and the methods used for characterization of these materials as well as discuss their potential applications. A special emphasis is given on the adsorption studies of modified ordered mesoporous silicas, especially MCM-41 - type materials.

Słowa kluczowe

materiały krzemionkowe modyfikacja właściwości strukturalne właściwości powierzchniowe inżynieria materiałowa

ordered nanoporous silicas modification surface and structural properties

Wydawca

Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego

Czasopismo

Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej

Rocznik

2003

Tom

Vol. 52, nr 11

Strony

65--110

Opis fizyczny

Bibliogr. 76 poz.

Twórcy

autor

Choma J.

choma@zchem.wat.edu.pl

Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Chemii, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2

autor

Jaroniec M.

jaroniec@kent.edu

Kent State University, Department of Chemistry, Kent, 44 242 Ohio, USA

autor

Kloske M.

Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Chemii, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2

Bibliografia

[1] J. S. BECK, J. C. VARTULI, J. W. ROTH, M. E. LEONOWICZ, C. T. KRESGE, K. D. SCHMITT, C. T-W CHU, D. H. OLSON, E. W. SHEPPARD, S. B. MCCULLEN, J. B. HIGGINS, J. L. SCHLENKER, A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates, J. Am. Chem. Soc., 1992, 114, 10834.
[2] C. N. R. RAO, A. K. CHETHAM, Science and technology of nanomaterials: current status and future prospects, J. Mater. Chem., 2001, 11, 2887.
[3] U. CIESLA, F. SCHÜTH, Ordered mesoporous materials, Microp. and Mesop. Mater., 1999, 27,131.
[4] Y. CHENG, H.-P. LIN, CH.-Y. МОU, Control of mesostructure and morphology of surfactant-templated silica in a mixed surfactant sytem, Phys. Chem. Chem. Phys., 1999, 1, 5051.
[5] J. CHOMA, M. JARONIEC, W. BURAKIEWICZ-MORTKA, E. MICHALSKI, M. KLOSKE, The synthesis and characterisation of the ordered, mesoporous. siliceous adsorbents MCM-41, Biul. WAT, 2001,10, 5.
[6] J. CHOMA, M. JARONIEC, M. KLOSKE, Właściwości adsorpcyjne uporządkowanych mezoporowatych adsorbentów krzemionkowych, Uporządkowane materiały mezoporowate - Biblioteka Wiadomości Chemicznych, Wrocław 2001.
[7] J. CHOMA, M. JARONIEC, M. KLOSKE, Uporządkowane nanoporowate materiały krzemionkowe: synteza, modyfikacja i charakterystyka, Biuletyn WAT, 2001, 10, 83.
[8] I. NOWAK, M. ZIÓŁEK, Mezoporowate sita molekularne - synteza, charakterystyka, właściwości fizykochemiczne i katalityczne, Uporządkowane materiały mezoporowate - Biblioteka Wiadomości Chemicznych, Wrocław 2001.
[9] V. ANTOCHSHUK, M. JARONIEC, Adsorption, thermogravimetric, and NMR studies of FSM-16 material functionalized with alkylmonochlorosilanes, J. Phys. Chem.. B, 1999, 103, 6252.
[10] V. ANTOCHSHUK, M. JARONIEC, Simultaneous modification of mesopores and extraction of template molecules from MCM-41 with trialkylchlorosilanes, Chem. Commun., 1999, 2373.
[11] V. ANTOCHSHUK, M. JARONIEC, Peculiarities of alkyl-modification of ordered mesoporous materials: a single-step treatment of uncalcined MCM-41 involving template removal and surface functionalization, Stud. Surf. Sci. Catal., 2000,129,265.
[12] V. ANTOCHSHUK, M. JARONIEC, Functionalized mesoporous materials obtained via interfacial reactions in self-assembled silica surfactant systems, Chem. Mater., 2000, 12, 2496.
[13] J. BROWN, R. RICHER, L. MERCIER, One-step synthesis of high capacity mesoporous Hg2+ adsorbents by non-ionic surfactant assembly, Microp. Mesop. Mater., 2000, 37, 41.
[14] J. CEJKA, N. ZILKOVA, J. RATHOUSKY, A. ZUKAL, Nitrogen adsorption study of organized mesoporous alumina, Phys. Chem. Chem. Phys., 2001, 3, 5076.
[15] V. ANTOCHSHUK, A. S. ARAUJO, M. JARONIEC, Functionalized MCM-41 and CeMCM-41 materials synthesized via interfacial reactions, J. Phys. Chem., 2000, 104, 9713.
[16] A. S. ARAUJO, M. JARONIEC, Synthesis and properties of lanthanide incorporated mesoporous molecular sieves, J. Coll. Interf. Sci., 1999,218, 462,
[17] U. CIEŚLA, D. DEMUTH, R. LEON, P. PETROFF, G. STUCKY, K. UNGER, F. SCHUTH, Surfactant controlled preparation of mesostructured transition-metal oxide compounds, J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1994, 1387.
[18] A. CORMA, H. GARCIA, M. T. NAVARRO, E. J. PALOMARES, F. REY, Observation of a 390-nm emission band associated with framework Ti in mesoporous titanosilicates, Chem. Mater., 2000,12,3068.
[19] Z. HUA, J.-L. SHI, L.-X. ZHANG, M.-L. RUAN, X.-G. ZHAO, Acid-prepared mesostructures modified with Тi02 by a template titanium tetrabutoxide displacement process, J. Mater. Chem., 2001, 11,3130.
[20] V. R. CHOUDHARY, K. MANTRI, Temperature programmed desorption of benzene on mesoporous Si-MCM-41, Na-AlSi-MCM-41, and H-AlSi-MCM-41, Langmuir, in press.
[21] A. WINGEN, N. ANASTASIEVIC, A. HOLLNAGEL, D. WERNER, F. SCHÜTH, Fe-MCM-41 as a catalysts for sulfur dioxide oxidation in highly concentrated gases, J. Catal., 2000, 193, 248
[22] C. T. KRESGE, M. E. LEONOWICZ, W. J. ROTH, J. C. VARTULI, J. S. BECK, Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism, Nature, 1992, 359, 710.
[23] X.S. ZHAO, G.Q.M. LU, G.J. MILLAR, Advances in mesoporous molecular sieves MCM-41, Ind. Eng. Chem. Res., 1996, 35, 2075.
[24] X. HE, D. ANTONELLI, Recent advances in synthesis and applications of transition metal containing mesoporous molecular sieves, Angew. Chem.. Int. Ed., 2002, 41, 214.
[25] C. AIROLDI, L. N. H. ARAKAKI, Immoblization of ethylenesulfide on silica surface through solgel process and some thermodynamic data of divalent cations interactions, Polyhedron, 2001, 20, 929.
[26] V. ANTOCHSHUK, M. JARONIEC, 1-allyl-3-propylthiourea modified mesoporous silica for mercury removal, Chem. Comm., 2002, 258.
[27] T. ASEFA, M. KRUK, M. J. MACLACHLAN, N. COOMBS, H. GRONDEY, M. JARONIEC, G. A. OZIN, Novel bifunctional periodic mesoporous organosilicas, BPMOs: synthesis, characterization, properties and in situ selective hydroboration-alcoholysis reactions of functional groups, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 8520.
[28] T. ASEFA, M. KRUK, M. J. MACLACHLAN, N. COOMBS, H. GRONDEY, M. JARONIEC, G. A. OZIN, Sequential hydroboration-alcoholysis and epoxidation-ring opening reactions of vinyl groups in mesoporous vinylsilica, Adv. Funct. Mater., 2001, 6, 1.
[29] S. DAI, Y. SHIN, Y. JU, M. С. BURLEIGH, J.-S. LIN, С. E. BARNES, Z. XUE, A new methodology to functionalized surfaces of ordered mesoporous materials based on ion exchange reactions, Adv. Mater., 1999, 11, 1226.
[30] B. LEE, Y. KIM, H. LEE, J. YI, Synthesis of functionalized porous silicas via templating method as heavy metal ion adsorbents: the introduction of surface hydrophilicity onto the surface of adsorbents, Microp. Mesop. Mater., 2001, 50, 77.
[31] I. DIAZ, C. MARQUEZ-ALVAREZ, F. MOHINO, J. PÉREZ-PARIENTE, E. SASTRE, Combined Alkyl and sulfonic acidf unctionalization of MCM-41-type silica. Part I. Synthesis and characterization, J. Catal., 2000,193, 283.
[32] I. DIAZ, C. MARQUEZ-ALVAREZ, F. MOHINO, J. PÉREZ-PARIENTE, E. SASTRE, Combined Alkyl and sulfonic acid functionalization of MCM-41-type silica. Part II. Esterification of glycerol with fatty acids, J. Catal., 2000, 193, 295.
[33] I. DIAZ, F. MOHINO, J. PÉREZ-PARIENTE, E. SASTRE, Synthesis, characterization and catalytic activity of MCM-41-type mesoporus silicas functionalized with sulfonic acid, Applied Catal. A: General, 2001, 205, 19.
[34] W. M. VAN RHUN, D. E. DE VOS, B. F. SELS, W. D. BOSSAERT, P. A. JACOBS, Sulfonic acid functionalised ordered mesoporous materials as catalysts for condensation and esterification reactions, Chem. Commun., 1998, 317.
[35] CH. YOSHINA-ISHII, T. ASEFA, N. COOMBS, M. J. MACLACHLAN, G. A. OZIN, Periodic mesoporous organosilicas, PMOs: fusion of organic and inorganic chemistry 'inside’ the channel walls of hexagonal mesoporous silica, Chem. Commun., 1999, 2539.
[36] S. GUAN, S. INAGAKI, T. OHSUNA, O. TERASAKI, Cubic hybrid organic-inorganic mesoporous crystal with a decaoctahedralshape, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 5660.
[37] S. INAGAKI, S. GUAN, Y. FUKUSHIMA, T. OHSUNA, O. TERASAKI, Novel mesoporous materials with a uniform distribution of organic and inorganic oxide in their frameworks, J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 9611.
[38] С. M. BAMBROUGH, R. С. T. SLADE, R. T. WILLIAMS, S. L. BURKETT, S. D. SIMS, S. MANN, Sorption of nitrogen, water vapor, and benzene by aphenyl-modified MCM-41 sorbent, J. Coll. Interf. Sei., 1998, 201, 220.
[39] J. L. BLIN, A. LEONARD, B. L. SU, Synthesis of large pore disordered MSU-type mesoporous silicas through the assembly of C16(EO)10 surfactant and TMOS silica source: effect of the hydrothermal treatment and thermal stability of materials, J. Phys. Chem.. B, in press.
[40] C. P. JARONIEC, M. KRUK, M. JARONIEC, Tailoring surface and structural properties of MCM-41 silicas by bonding organosilanes, J. Phys. Chem. B, 1998, 102, 5503.
[41] C. P. JARONIEC, M. KRUK, M. JARONIEC, adsorption and thermogravimetric studies of silica-based amide bonded phases, J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 6861.
[42] M. JARONIEC, M. KRUK, CH. P. JARONIEC, Modification of surface and structural properties of ordered mesoporous silicates, Adsorption, 1999, 5, 39.
[43] M. KRUK, M. JARONIEC, S. GUAN, S. INAGAKI, Adsorption and thermogravimetric characterization of mesoporous materials with uniform organic-inorganic frameworks, J. Phys. Chem. B, 2001, 105, 681.
[44] M. KRUK, M. JARONIEC, Characterization of modified mesoporous silicas using argon and nitrogen adsorption, Microp. Mesopor. Mat., 2001, 44-54, 725.
[45] M. KRUK, M. JARONIEC, A. SAYARI, Surface heterogeneity analysis of MCM-41 metallosilicates by using nitrogen adsorption data, Langmuir, 1999, 15, 5683.
[46] M. KRUK, M. JARONIEC, A. SAYARI, A unified interpretation of high temperature pore size expansion processes in MCM-41 mesoporous silicas, J. Phys. Chem. B, 1999, 103, 4590.
[47] СН. H. KO, R. RYOO, Imaging the channels in mesoporous molecular sieves with platinium, Chem. Commun., 1996, 2467.
[48] R. LEBODA, J. SKUBISZEWSKA-ZIĘBA, J. RYNKOWSKI, Preparation and porous structure of carbonsilica adsorbents obtained on the basis of Ti, Co, Ni, Cr, Zn and Zr acetyloacetonates and acetyloacetone, Colloids and Surf., A: Phys. And Eng. Aspects, 2000, 174, 319.
[49] M. H. LIM, CH. F. BLANFORD, A. STEIN, Synthesis of ordered microporous silicates with organosulfur surface groups and their applications as solid acid catalysts, Chem. Mater., 1998, 10, 467.
[50] M. H. LIM, CH. F. BLANFORD, A. STEIN, Synthesis and characterization of a reactive vinyl-functionalized MCM-41: Probing the internal pore structure by a bromination reaction, J. Am. Chem. Soc., 1997,119, 4090.
[51] Y. MORI, T. PINNAVAIA, Optimizing organic functionality in mesostructured silica: direct assembly of mercaptopropyl groups in wormhole framework structures, Chem. Mater., 2001, 13, 2173.
[52] A. STEIN, B. J. MELDE, R. C. SCHRODEN, Hybrid inorganic-organic mesoporous silicates-nanoscopic reactors coming of age. Adv. Mater., 2000, 19, 1403.
[53] G. TF.MTSIN, T. ASEFA, S. BITTNER, G. A. OZIN, Aromatic PMOs: tolyl, xylyl and dimethoxyphenyl groups integrated within the channel walls of hexagonal mesoporous silicas, J. Mater. Chem., 2001, 11,3202.
[54] M. ZIOŁEK, I. SOBCZAK, I. NOWAK, P. DECYK, A. LEWANDOWSKA, J. KUJAWA, Nb-containing mesoporous molecular sieves-а possible application in the catalytic processes, Microp. Mesop. Mater., 2000, 35-36, 195.
[55] V. BOLIS, A. CAVENAGO, В. FUBINI, Surface heterogeneity on hydrophilic and hydrophobic silicas: water and alcohols as probes for H-bonding and dispersion forces, Langmuir, 1997, 13, 895.
[56] E. T. DUTKIEWICZ, Fizykochemia powierzchni, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998.
[57] J. OŚCIK, Adsorpcja, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1979.
[58] H. JANKOWSKA, A. ŚWIĄTKOWSKI, L. STAROSTIN, J. ŁAWRINIENKO-OMIECYNSKA, Adsorpcja jonów na węglu aktywnym, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1991.
[59] W. SZCZEPANIAK, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996.
[60] J. KLINIK, Tekstura porowatych ciał stałych, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 2000.
[61] T. C. MALONEY, Measurement of pore size distribution with DSC, User. Com., 2000, 2, 15.
[62] P. J. WHEATLEY, The determination of molecular structure, Oxford University Press, Oxford 1959.
[63] A. CYGAŃSKI, Metody spektroskopowe w chemii analitycznej, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1997.
[64] X. S. ZHAO, G. Q. LU, A. K. WHITTAKER, G. J. MILLAR, H. Y. ZHU, Comprehensive study of surface chemistry of MCM-41 using 29Si СР/MAS NMR, FTIR, pyridine-TPD, and TGA, J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 6525.
[65] Pr. zbior., Poradnik fizykochemiczny, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1974.
[66] D. R. ANDERSON w „Analysis of silicones”, A. Lee Smith editor, Wiley-Interscience, New-York 1974.
[67] L. J. BELLAMY, „The infrared spectra of complex molecules”, Chapman and Hall, London, 1975.
[68] U. LOHSE, B. PARLITZ, B. ALTRICHTER AND K. JANCKE, E. LÖFFLER, E. SCHREIER, F. VOGT, Acidity of aluminophosphate structures. Part 1. - Incorporation of silicon into chabazite-like structure 44, J. Chem.. Soc. Faraday Trans., 1995, 91, 1155.
[69] U. LOHSE, R. BERTRAM, K. JANCKE, I. KURZAWSKI, В PARLITZ, E. LÖFFLER, E. SCHREIER, Acidity of aluminophosphate structures. Part 2. - Incorporation of cobalt into CHA and AFI by microwave synthesis, J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1995, 91, 1163.
[70] Z. KĘCKI, Podstawy spektroskopii molekularnej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1992.
[71] J. KLINOWSKI, T. L. BARR, NMR and ESCA chemical shifts in aluminosilicates: a critical discussion, Acc. of Chem. Res., 1999, 32, 633.
[72] L.-Q. WANG, G. J. EXARHOS, J. LIU, Nuclear magnetic resonance - characterization of self assembled nanostructured materials, Adv. Mater., 1999, 11, 1331.
[73] J. LIU, X. FENG, G. E. FRYXELL, LI-Q. WANG, A. Y. KIM, M. GONG, Hybrid mesoporous materials with functionalized monolayers, Adv. Mater., 1998, 10,161.
[74] A. CORMA, From microporous to mesoporous molecular sieve materials and their use in catalysis, Chem. Rev. 1997, 97, 2373.
[75] Z. MIERCZYK, Nieliniowe absorbery, badania właściwości, technologia i wybrane zastosowania, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa 2000.
[76] G. WIRNSBERGER, G. D. STUCKY, Ordered mesostructured materials with optical functionality, ChemPhysChem, 2000, 1, 89.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BWA2-0008-0092