硅材料-硅和二氧化硅

nullnull硅和二氧化硅null硅的存在自然界中，硅无游离态存在， 只以化合态存在 （SiO2或硅酸盐的形式存在） 存在于地壳的矿物和岩石里 在地壳中，硅的含量居第二位 null硅晶体的物理性质： 灰黑色 硬而脆 有金属光泽的固体 熔点、沸点高 硬度大 半导体材料null硅的晶体结构null硅的晶体结构每个硅原子通过4个共用电子对 与周围4个硅原子连接， 成正四面体结构， 向空间延伸， 形成空间网状结构 是非金属单质null硅的化学性质null    1、硅的结构特点：硅原子最外层有4个电子， 既不容易失电子，也不容易得电子 可得4个电子，显氧化性； 可失4个电子，显还原性；null常温下，化学性质稳定只与碱、氟化氢、氟气反应，不与硫酸、盐酸、硝酸等反应null硅的用途1、制集成电路、晶体管管、硅整流器等 半导体材料 2、含硅4%的钢可制变压器铁芯 3、含硅15%的钢具有耐酸性， 制耐酸设备null单晶硅与多晶硅P型半导体 N型半导体 null太阳能电池单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 非晶硅太阳能电池 null二氧化硅1、存在 硅石 玛瑙 水晶 石英 分为:晶体(石英和水晶)和无定形(硅藻土) null2、二氧化硅的晶体分析： 晶体中每个硅原子通过共价键与周围4个氧原子结合成正四面体形结构单元,硅原子之间通过氧原子连接,晶体中所有原子成一种空间网状结构 晶体的化学式为SiO2,不示有SiO2分子组成，晶体中只有Si、O原子，无分子null3、二氧化硅的物理性质晶体硬度大, 熔点高, 难溶于水null4、二氧化硅的性质：不活泼酸酐的特性： ①与碱性氧化物反应 SiO2+CaO=CaSiO3 ②与强碱反应： SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O ③与盐反应： SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2 ④不与水反应 SiO2+H2O≠H2SiO3 ⑤只与氢氟酸（一种酸）反应 SiO2+4HF=SiF4↑+2H2Onull5、二氧化硅的用途①、制光导纤维 ②、石英玻璃制化学仪器 ③、石英表、石英钟 ④、水晶制光学仪器和品 ⑤、玛瑙制精密轴承和装饰品null六、硅酸盐结构复杂 种类繁多 用二氧化硅和金属氧化物的形式 表示其组成基本结构单元都是硅氧四面体。null介孔材料沸石材料介孔固体nullLTANATANAMORTONMorphological DiversityLTL沸石nullStacking Faults - IntergrowthsOpportunities for Novel Structures - Performance Debits PossibleFAUEMT沸石nullLewis Acidity: Cations, Al3+Broensted Acidity: ProtonsBi-functional: Acid + Metal Function (Highly Dispersed Pt, Rh, ....)Bridging OHThe Active Surface nullCatalysis / Shape Selectivity Hydrocarbon conversion: Alkylation, Cracking, Hydrocracking, Isomerization, Disproportionation, ... Hydrogenation/Dehydrogenation Hydrodealkylation Methanation Reforming Catalysis for fine Chemicals Oxidation DeNOx, Catalytic S removal, .....沸石null介孔分子筛的分类SBA－15 ,一种介孔硅基分子筛，具有高度有序的六边形直孔结构，其孔径可以在5～50 nm 范围内变化,且孔壁较厚(典型的在3 到9 nm) ,因此使得该材料具有更高的热和水热稳定性，是一种极具应用前景的材料介孔nullMCM-41 ：具蜂巢狀结构之 介相(meso-phase)多孔体1992年，美国 Mobile 公司研究人员利用界面活性剂之液晶相，成功地以氧化铝硅或氧化硅合成 MCM-41 蜂巢状结构之介相(meso)多孔体。 以此为开端已作出各种不同形状之介相多孔体，目前則努力于应用之研究。 在Mobile公司合成之数年前，日本早稻田大学之研究人员早已采用矿物的一种层状硅酸盐(kanemite)成功地合成介相多孔体。因此，日本也可算是介相多孔体研究的发源地。介孔nullMCM-41 之生成介孔null其它介相多孔体FSM-16 介相多孔体 ： 使用层状硅酸盐所制的代表性介相多孔体 系以界面活性剂做为模板(具有目标形状之模型)而合成。 高分辨電子显微镜影像可见大小均一的介相孔呈蜂巢狀的規則排列。 KSW-2 四角形孔的介相多孔体： 研究人員也合成出传统无法合成之四角形孔。 电子显微镜的观察可见层间呈折弯現象。 此构造系利用几片层状硅酸盐堆叠而成之层狀结构，再像折纸般弯成孔状。 可算是细孔形态控制上，善用材料性质之例。nullFSM-16 & KSW-2 介面多孔体null 多孔材料 介孔固体null有序介孔固体MCM-41MCM-48SBA-15null介孔固体的表征量 比表面积S 表面原子分数 孔径分布和孔隙率对介孔固体的表征量的影响 nullThrough TMV to get inorganic material with organic featurePorous alumina as filterTMVThe film with TMVDryTi(OiPr)4 solutionEthanol Pass throughWater pass throughFilm with TMV and TiO2Fire at 500°CFilm with TiO2Dissolve filmTiO2with TMV featurenullnullnull SBA-15的合成方法 SBA-15的化学改性 SBA-15在材料和生命科学领域的应用 介孔分子筛SBA-15的研究nullP123TEOS HClDeionized water（＞24hrs）SBA-15 Synthesis Routenull有序介孔材料的自组装合成 hydrothermalpH, media mesoporous materialsSurfactant + Inorganic source 以表面活性剂分子聚集体为模板，通过表面活性剂分子聚集体和无机物种之间的界面组装实现对介观图式结构的剪裁。其中涉及超分 子化学、Sol-gel化学、主客体模板化学null表面活性剂的超分子组装CTAB Concentration（ Wt% ） Temperature℃C. J. Brinker, Y. Lu, A. Sellinger,H. Fan, Adv. Mater., 1999,11, 579CTABSBA-15的合成机理SBA-15的合成机理SBA - 15 的合成符合中性模板机理(S0 I0) :用中性表面活性剂P123 (S0) ,和中性无机硅物种( I0) 通过氢键键合,不存在强的静电作用,并随硅烷醇的进一步水解、缩合导致短程六边形胶粒的堆积和骨架的形成 5nm5nm〔6〕〔9〕800m2\gnull有序介孔材料的合成机理－－液晶模板机理(LCT)Kresge C T, Leonowicz M E, Roth W J, et al. Nature, 1992, 359: 710-712. Beck J S, Vartuli J C, Roth W J, et al. J. Am. Chem. Soc., 1992, 114: 10834-10843null协同组装机理影响SBA-15结构的因素影响SBA-15结构的因素有机物模板剂本身性质（化学结构、链长、官能团）和共溶剂的加入 模板剂与硅源的含量和比例 晶化条件（时间、温度）改变模板剂与硅源的含量〔11〕：改变模板剂与硅源的含量〔11〕：Kohji Miyazawa ,Shinji Inagaki. Chem Comm ,2000改变晶化温度〔12〕：改变晶化温度〔12〕：周丽绘等。J . Chin. Electr. Microsc. Soc. 2005SBA-15的化学改性SBA-15的化学改性SBA – 15由于使用三嵌段共聚高分子模板剂，孔壁较厚（约6nm），因此其水热稳定性高于其他介孔分子筛。可是存在酸性较弱、催化活性不高等内在的缺点,大大限制了它的实际应用范围。为实现SBA - 15 的潜在应用价值,依靠化学改性来提高它的水热稳定性和催化活性成为现在面临的主要研究课。 化学改性包括 对材料骨架的修饰 以及 对孔道表面的功能化。由介孔材料的表面化学性质研究可知,介孔氧化硅材料表面的硅醇键具有一定的化学反应活性,这是表面化学改性的基础。与活性组分成键,把催化活性位引入孔道或骨架。而对骨架的修饰可以通过引入金属离子,使其周围的电荷过剩产生较强的质子酸中心或路易斯酸中心,或通过金属掺杂后产生离子交换位,将催化活性组分引入。 化学改性的主要方法：元素取代法 和共价键移植法 将磺酸基（－SO3H）移植到SBA－15的表面〔13〕：将磺酸基（－SO3H）移植到SBA－15的表面〔13〕：油酸发生甲醇酯化反应的转化率沈健,袁兴东等。燃料化学学报,2003将Ti原子引入骨架代替Si〔14〕：将Ti原子引入骨架代替Si〔14〕：环己烯H2O2氧化反应的转化率朱金华,沈伟等。化学学报,2003SBA-15的应用SBA-15的应用SBA - 15 大的孔径有利于反应物在孔道内的运输,有利于反应的进一步进行,随着反应物引入量的提高,具有一维结构的各种材料的纳米线相继在孔道中合成 由于SBA - 15孔径可调,表面可官能团化为疏水或亲水环境,且比较容易制备为较理想的球形材料,因此可以作为较理想的色谱填柱材料 SBA – 15具有优良的不对称催化活性，适于作手性催化剂的载体 SBA - 15可以作为合成介孔碳等新介孔材料的模版 SBA - 15 可以结合酶底物化学、抗体注FL 原化学等,通过测定电流或电位,构成不同的生物传感器,以及在生物芯片、药物的包埋和控释等方面有广阔的应用前景