《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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采用一锅水热双模板法，独立调控介孔（2-6nm）和大孔（0.1-100μm）结构，合成出粒径均匀的介孔-大孔分级二氧化硅粉末，具有高比表面积（>7 cm3/g）和可调孔道访问性，适用于储能、分离和大气水收集。
JiaJi Lin | Alexandre A.S. Goncalves | Pasquale F. Fulvio | Krista S. Walton
佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院，美国亚特兰大，GA 30332
摘要
由于具有较大的表面积、较高的孔体积和可调节的孔径，分级介孔二氧化硅在吸附、催化和分离应用中具有很高的吸引力；然而，大多数合成方法得到的只是整体块状材料，无法同时控制多种孔结构，或者不具备可扩展性。在这里，我们介绍了一种一步法水热双模板合成分级二氧化硅（HS-PEG）粉末的技术，该技术可以独立控制2–6纳米的介孔和0.1–100微米的大孔，并生成粒度均匀（19–25微米）的颗粒。分别使用不同烷基链长的烷基铵溴化物表面活性剂和不同分子量的聚乙二醇（PEG）作为介孔和大孔的模板。该方法结合了表面活性剂引导的介观相形成和聚合物诱导的相分离，生成了总孔体积高（>7 cm3 g?1）且孔径可调的分级结构。该工艺完全可扩展且具有重复性，能够生产出具有稳定孔特性的千克级样品。所得HS-PEG粉末具有相互连接的介孔和大孔结构，有助于快速分子传输。这种双模板水热合成方法为制备具有独立可调孔隙率和高表面积的分级二氧化硅粉末提供了一个多功能且可扩展的平台，使其在能量存储、分离和大气水收集等领域具有广泛应用潜力。
引言
自从首次报道了基于表面活性剂模板化的M41S系列硅酸盐介孔材料以来，这些材料因具有高表面积、大孔体积以及均匀且可调的孔径而在催化、分离、能量存储和医学领域引起了广泛的研究兴趣 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。在所报道的水热合成方法中，表面活性剂促进了有序介孔结构的可控形成。
材料
购买了四乙基正硅酸盐（TEOS，试剂级98%）、十二烷基三甲基溴化铵（n-10，≥98%）、十二烷基三甲基溴化铵（n-12，≥98%）、十四烷基三甲基溴化铵（n-14，≥98%）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，n-16，≥98%）、十八烷基三甲基溴化铵（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?）等试剂，并按原样使用。
缩合催化剂的影响
为了评估缩合催化剂对孔结构发展的影响，在保持表面活性剂（C??TAB）和PEG分子量（35 kg mol?1）不变的情况下，使用HNO?或NH?OH作为水解/缩合催化剂合成HS-PEG样品。分级二氧化硅HS-PEG的合成和标记过程详见第2节（实验部分）。在原始的HS-PEG整体块状材料合成方法中，首先使用HNO?进行水解，然后洗涤至中性pH值，再进行后续处理。
结论
通过改进一步法水热双模板合成技术，成功制备了一系列分级介孔-大孔二氧化硅HS-PEG。与最初报道的多步骤方法不同，该方法可以直接制备出具有单峰孔径分布的细粉。研究了水解催化剂类型和浓度、溶剂组成及体积、表面活性剂烷基链长度等因素对二氧化硅缩合过程的影响。
CRediT作者贡献声明
Pasquale Fulvio：撰写 – 审稿与编辑、方法学、数据分析、概念构思。
JiaJi Lin：撰写 – 初稿撰写、验证、方法学、数据分析、数据管理。
Alexandre Goncalves：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源协调。
Krista Walton：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源获取、资金申请、概念构思。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国防高级研究计划局大气水提取项目在Grant No. HR001120S0014项下的财政支持。
