一种以离子液体为模板剂制备介孔氧化铝分子筛的方法

摘要

本发明公开一种以离子液体为模板剂制备介孔氧化铝分子筛的方法，以离子液体1－十四烷基－3－甲基咪唑溴盐为模板剂，异丙醇铝为铝源，异丙醇为溶剂，水和盐酸为催化剂，依次经反应混合物的制备、熟化、洗涤干燥、煅烧，制得介孔氧化铝分子筛。本方法制备得到的介孔氧化铝分子筛具有较高比表面积，较窄的孔径分布和较大的孔径；本方法操作简单，所制备介孔氧化铝分子筛可作为石油化工、有机合成领域的催化剂或催化剂载体，并在吸附分离、干燥、脱水等方面具有潜在用途。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以离子液体为模板剂制备介孔氧化铝分子筛的方法，确切说，涉及一种以离子液体为模板剂制备介孔氧化铝分子筛的方法，属于无机化学合成技术领域。

背景技术

1992年美国Mobil公司Kresge等(Nature，1992，359：710)首次运用纳米合成技术成功制备出介孔SiO₂分子筛(MCM-41)，开辟了一个合成多孔材料的新领域。介孔材料的制备、结构和特性的研究已成为当今国际上的一个研究热点，其中一个重要的研究方向就是合成具有较大孔道尺寸分子筛及具有分子筛性质的多孔材料。介孔SiO₂分子筛比表面已超过1000m²/g、孔径在2～50nm，孔道有序，此类介孔分子筛的制备、生成机理、表面表征方法及催化应用研究已很成功，并推动了其他介孔材料的开发探索。介孔氧化铝就是其中重要的一种，这是一种多孔性、高分散度的固体物料，具有良好的吸附性能、表面酸性及热稳定性，可作为吸附剂、催化剂及载体应用在许多化工过程中。不管从材料角度还是从催化应用的可能性及作为催化剂的载体来看，介孔氧化铝都是一种值得研究并且有应用价值的新型介孔材料，其具有比表面大、结构严整、孔径大、表面具有酸性中心的突出特点，有望在重油大分子的催化裂化、多相催化、石化过程中的吸附分离以及固载酶转化等方面取得大的进展。

介孔氧化铝分子筛的合成，最常见于以各种表面活性剂(如阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂)为模板剂(Micropor.Mesopor.Mater.，2007，100：183-190；Micropor.Mesopor.Mater.，2007，100：35-34；Micropor.Mesopor.Mater.，2006，93：212-216)，通过纳米自组装技术可以获得。所制备出的介孔氧化铝分子筛孔径多在3～6nm，比表面积在300m²/g附近；此外表面活性剂其毒性和挥发性对环境有很大影响，并且在煅烧过程中往往会释放含氮氧化物或含卤素元素的有毒气体，不符合绿色化学和环境友好化学的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种以离子液体为模板剂制备介孔氧化铝分子筛的方法，该法制备过程简单，熟化温度低，绿色环保。

本发明是通过以下方案进行实施的：

一种以离子液体为模板剂制备介孔氧化铝分子筛的方法，其特征是以离子液体1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐，即[C₁₄mim]Br为模板剂，异丙醇铝为铝源，异丙醇为溶剂，水和盐酸为催化剂，依次经反应混合物的制备、熟化、洗涤干燥、煅烧，制得介孔氧化铝分子筛。本发明的方法制备过程简单，在较低的温度，110℃下进行熟化，通过煅烧即可获得比表面积较高、孔径分布较窄和孔径较大的介孔氧化铝分子筛。本发明不仅为制备介孔氧化铝提供了一种新的合成方法，也为离子液体的应用开拓了一条新途径。

本发明以离子液体为模板剂制备介孔氧化铝分子筛的方法，具体操作步骤可为：

第一步反应混合物的制备

先将离子液体1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐溶于50mL异丙醇，加入去离子水，用盐酸调节溶液的pH值至5.5，再加入Al[OCH(CH₃)₂]₃，在60℃下搅拌2h，制得反应混合物；其中，制备所述反应混合物的原料配比为1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐：Al[OCH(CH₃)₂]₃中的Al：H₂O的摩尔比＝1：0.5～5.5：1～50；

第二步熟化

将第一步制得的反应混合物在110℃下熟化1～5天；

第三步洗涤干燥

将第二步制得的反应混合物用无水乙醇洗涤，过滤，并在60℃下干燥12h；其中，滤出的无水乙醇溶液经过减压蒸馏或经过减压蒸馏后再用乙酸乙酯重结晶，得到1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐，即[C₁₄mim]Br。

第四步煅烧

将干燥后的反应物混合物放入马弗炉，在450～550℃下煅烧2h，得到介孔氧化铝分子筛。

另外，模板剂离子液体1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐可为市售获得或可以通过以下方法制备得到：

N-甲基咪唑与1-溴代十四烷按摩尔比为1：1.1混合，甲苯为溶剂，在氮气保护和90℃下反应24h后，冷却至室温，制得白色粉末，用乙酸乙酯重结晶，制得白色蜡状固体为离子液体1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐([C₁₄mim]Br)，即为模板剂；

与现有技术相比本发明的有益效果：本发明以绿色替代溶剂离子液体为模板剂，在室温下合成比表面积较高(400m²/g左右)、孔径分布较窄和孔径较大(10nm左右)的介孔氧化铝分子筛。因为比表面积更高和孔径更大的介孔氧化铝更有利于其在大分子分离、有机合成催化等方面的应用。本方法具有制备过程简单、熟化温度低和在煅烧过程中不会污染空气的优点，并且模板剂可以反复循环使用。本方法所制备介孔氧化铝分子筛可作为石油化工、有机合成领域的催化剂或催化剂载体，并在吸附分离、干燥、脱水等方面具有潜在用途。

附图说明

图1为实施例1制备的介孔氧化铝分子筛的TEM图。

图2为实施例1制备的介孔氧化铝分子筛的XRD图。

图3为实施例1制备的介孔氧化铝分子筛的N₂吸附-脱附等温线和孔径分布图。

从TEM图可知，在此条件下合成的样品是含有由纳米纤维形成的不规则蠕虫状孔道结构，纳米纤维长度为40-60nm，直径为2-5nm。XRD分析是在D/max-IVA型X射线衍射仪上进行，采用Cu Kα辐射，扫描速率5°/min。从XRD谱图可知，该分子筛为晶形良好的γ-氧化铝，较宽的衍射峰说明得到的介孔γ-氧化铝晶体颗粒较小。N₂吸附/脱附等温线数据由Micromeritics ASAP 2020物理吸附仪提供，比表面积由BET方法求得，依据BJH方法由N₂吸附/脱附等温线吸附支计算孔径分布及孔径大小。从N₂吸附/脱附等温线图中可以看出，等温线都是典型的IV曲线，这表明所制得的氧化铝主要以介孔结构的形式存在，且滞后环都属于H3类，此外，滞后环位于相对压力较高的0.6～1.0位置，这是由于有较大的介孔存在于氧化铝的结构中；从孔径分布图可以看出，所制得的氧化铝的孔径分布较窄。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进一步解释说明。

实施例1

第一步模板剂的制备

N-甲基咪唑与1-溴代十四烷按摩尔比为1：1.1混合，甲苯为溶剂，在氮气保护和90℃下反应24h后，所得产物冷却至室温，制得白色粉末，用乙酸乙酯重结晶，制得白色蜡状固体，离子液体1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐，即[C₁₄mim]Br；

第二步反应混合物的制备

常温下，将4.8g[C₁₄mim]Br溶于50mL异丙醇，加入4.9g去离子水，用HCl调节溶液的pH值至5.5，再加入5.5gAl[OCH(CH₃)₂]₃，在60℃下搅拌2h，制得反应混合物；即按[C₁₄mim]Br：H₂O：Al[OCH(CH₃)₂]₃中的Al的摩尔比＝1：20：2配置原料，制备反应混合物(Al/[C₁₄mim]Br＝2)。

第三步熟化

将制得的反应混合物在110℃下熟化3天。

第四步洗涤干燥

将第三步制得的反应混合物无水乙醇洗涤，过滤，滤得残渣在60℃下干燥12h，其中无水乙醇溶液经过减压蒸馏后，又可以得到模板剂[C₁₄mim]Br，再用乙酸乙酯重结晶，即可得到纯的[C₁₄mim]Br。

第五步煅烧

将干燥后的反应物混合物入马弗炉，在500℃下煅烧2h，得到介孔氧化铝分子筛。

得到的分子筛的主要物化性质：比表面积：422m²/g，孔体积：1.01cm³/g，孔径：10.5nm。介孔氧化铝分子筛TEM、XRD及N₂吸附-脱附等温线和孔径分布图见图1、图2和图3。TEM图片由Jeol JEM-2010仪提供，其工作加速电压为100Kv。

实施例2

操作过程除以下不同外，其余同实施例1：

第二步反应混合物的制备

按[C₁₄mim]Br：H₂O：Al[OCH(CH₃)₂]₃中的Al的摩尔比＝1：1：0.5配置原料，制备反应混合物(Al/[C₁₄mim]Br＝0.5)。

第三步熟化

将反应混合物在110℃下熟化1天。

将干燥好的反应物入马弗炉，在450℃下煅烧2h，得到介孔氧化铝分子筛。得到的介孔氧化铝分子筛的TEM、XRD及N₂吸附-脱附等温线和孔径分布图与图1、图2和图3类似，其主要物化性质：比表面积：388m²/g，孔体积：0.98cm³/g，孔径：9.6nm。

实施例3

操作过程除以下不同外，其余同实施例1：

第二步反应混合物的制备

按[C₁₄mim]Br：H₂O：Al[OCH(CH₃)₂]₃中的Al的摩尔比＝1：50：5.5配置原料，制备反应混合物(Al/[C₁₄mim]Br＝5.5)。

第三步熟化

将反应混合物在110℃下熟化5天。

将干燥好的反应物入马弗炉，在550℃下煅烧2h，得到介孔氧化铝分子筛。得到的介孔氧化铝分子筛的TEM、XRD及N₂吸附-脱附等温线和孔径分布图与图1、图2和图3类似，其主要物化性质：比表面积：403m²/g，孔体积：0.99cm³/g，孔径：10.1nm。

实施例4

操作过程除以下不同外，其余同实施例1：

第二步反应混合物的制备

按[C₁₄mim]Br：H₂O：Al[OCH(CH₃)₂]3中的Al的摩尔比＝1：25：3配置原料，制备反应混合物(Al/[C₁₄mim]Br＝3)。

第三步熟化

将反应混合物在110℃下熟化3天。

将干燥好的反应物入马弗炉，在480℃下煅烧2h，得到介孔氧化铝分子筛。得到的介孔氧化铝分子筛的TEM、XRD及N₂吸附-脱附等温线和孔径分布图与图1、图2和图3类似，其主要物化性质：比表面积：396m²/g，孔体积：1.03cm³/g，孔径：9.2nm。