《Microporous and Mesoporous Materials》：Tailoring the particle size and hierarchical mesoporous-macroporous structure of dual-templated silica powders by a hydrothermal synthesis method
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采用一鍋水熱雙模板法，獨立調控介孔（2-6nm）和大孔（0.1-100μm）結構，合成出粒徑均勻的介孔-大孔分級二氧化硅粉末，具有高比表面積（>7 cm3/g）和可調孔道訪問性，適用于儲能、分離和大氣水收集。
JiaJi Lin | Alexandre A.S. Goncalves | Pasquale F. Fulvio | Krista S. Walton
佐治亞理工學院化學與生物分子工程學院，美國亞特蘭大，GA 30332
摘要
由于具有較大的表面積、較高的孔體積和可調節的孔徑，分級介孔二氧化硅在吸附、催化和分離應用中具有很高的吸引力；然而，大多數合成方法得到的只是整體塊狀材料，無法同時控制多種孔結構，或者不具備可擴展性。在這里，我們介紹了一種一步法水熱雙模板合成分級二氧化硅（HS-PEG）粉末的技術，該技術可以獨立控制2–6納米的介孔和0.1–100微米的大孔，并生成粒度均勻（19–25微米）的顆粒。分別使用不同烷基鏈長的烷基銨溴化物表面活性劑和不同分子量的聚乙二醇（PEG）作為介孔和大孔的模板。該方法結合了表面活性劑引導的介觀相形成和聚合物誘導的相分離，生成了總孔體積高（>7 cm3 g?1）且孔徑可調的分級結構。該工藝完全可擴展且具有重復性，能夠生產出具有穩定孔特性的千克級樣品。所得HS-PEG粉末具有相互連接的介孔和大孔結構，有助于快速分子傳輸。這種雙模板水熱合成方法為制備具有獨立可調孔隙率和高表面積的分級二氧化硅粉末提供了一個多功能且可擴展的平臺，使其在能量存儲、分離和大氣水收集等領域具有廣泛應用潛力。
引言
自從首次報道了基于表面活性劑模板化的M41S系列硅酸鹽介孔材料以來，這些材料因具有高表面積、大孔體積以及均勻且可調的孔徑而在催化、分離、能量存儲和醫學領域引起了廣泛的研究興趣 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。在所報道的水熱合成方法中，表面活性劑促進了有序介孔結構的可控形成。
材料
購買了四乙基正硅酸鹽（TEOS，試劑級98%）、十二烷基三甲基溴化銨（n-10，≥98%）、十二烷基三甲基溴化銨（n-12，≥98%）、十四烷基三甲基溴化銨（n-14，≥98%）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，n-16，≥98%）、十八烷基三甲基溴化銨（n-18，≥98%）以及不同分子量的聚乙二醇（PEG，MW = 6, 10和35 kg mol?1）、硝酸（HNO?，70%）和氨水（28–30% NH?）等試劑，并按原樣使用。
縮合催化劑的影響
為了評估縮合催化劑對孔結構發展的影響，在保持表面活性劑（C??TAB）和PEG分子量（35 kg mol?1）不變的情況下，使用HNO?或NH?OH作為水解/縮合催化劑合成HS-PEG樣品。分級二氧化硅HS-PEG的合成和標記過程詳見第2節（實驗部分）。在原始的HS-PEG整體塊狀材料合成方法中，首先使用HNO?進行水解，然后洗滌至中性pH值，再進行后續處理。
結論
通過改進一步法水熱雙模板合成技術，成功制備了一系列分級介孔-大孔二氧化硅HS-PEG。與最初報道的多步驟方法不同，該方法可以直接制備出具有單峰孔徑分布的細粉。研究了水解催化劑類型和濃度、溶劑組成及體積、表面活性劑烷基鏈長度等因素對二氧化硅縮合過程的影響。
CRediT作者貢獻聲明
Pasquale Fulvio：撰寫 – 審稿與編輯、方法學、數據分析、概念構思。
JiaJi Lin：撰寫 – 初稿撰寫、驗證、方法學、數據分析、數據管理。
Alexandre Goncalves：撰寫 – 審稿與編輯、驗證、資源協調。
Krista Walton：撰寫 – 審稿與編輯、項目監督、資源獲取、資金申請、概念構思。
利益沖突聲明
? 作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
作者感謝國防高級研究計劃局大氣水提取項目在Grant No. HR001120S0014項下的財政支持。
