沸石分子篩材料從發(fā)現(xiàn)距今已有兩百多年的歷史.從天然沸石到人工合成沸石,從低硅沸石到高硅沸石以及后來發(fā)展的類沸石分子篩材料,都因為他們具有均勻而規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)和較大的比表面積,被廣泛應(yīng)用于分離,催化,吸附,離子交換等化工領(lǐng)域.沸石分子篩材料已成為工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的產(chǎn)品,但是人們對其在形成過程中的晶化行為一直以來還不是十分清楚. 本論文主要研究了傳統(tǒng)水熱和微波加熱條件下Silicalite-1分子篩的晶化行為.在傳統(tǒng)水熱條件下,研究了氫氟酸的引入對Silicalite-1分子篩晶化行為的影響,發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)體系中氫氟酸濃度的逐漸增加,Silicalite-1晶體的形貌由聚集的不規(guī)則塊狀到納米級小六角圓盤再到典型的Coffin狀孿晶,經(jīng)過了一系列有規(guī)律的變化.在微波加熱條件下,研究了微波加熱的時間,合成體系中助溶劑的引入以及體系的堿度對Silicalite-1晶體晶化行為的影響.如增加微波加熱時間,發(fā)現(xiàn)Silicalite-1晶體從分立的單晶向?qū)\晶轉(zhuǎn)變;向體系中引入介電常數(shù)逐漸減小的一元醇,發(fā)現(xiàn)Silicalite-1晶體的形貌會逐漸從分立的圓滑孿晶逐漸演變成互相聚集且棱角分明的"Coffin"狀孿晶;當(dāng)向體系中引入介電常數(shù)較大的二元醇乙二醇時,產(chǎn)物中出現(xiàn)了一定比例的"Coffin"狀單晶.

多孔材料可以按它們的孔直徑分為三類:小于2 nm為微孔(micropore);2~50 nm為介孔(mesopore); 大于50 nm為大孔(macropore)。 結(jié)晶微孔材料的孔道是由它們的晶體結(jié)構(gòu)決定的，有序介孔和大孔材料的孔徑是由合成所用的模板(如膠束、液晶、納米粒子等)決定的，因此孔徑大小均一，材料的各種物理化學(xué)性質(zhì)在很大程度上是可預(yù)測的。

沸石是最為典型的微孔材料，具有三維空曠骨架結(jié)構(gòu)，可以看成是由- -個或多個結(jié)構(gòu)基本單元(SBU)連接而成，通過這些SBU不同的連接可以產(chǎn)生許多結(jié)構(gòu)類型，籠可以看成是更大的建筑塊，例如，從β籠(方鈉石籠)出發(fā)，可以產(chǎn)生多個沸石結(jié)構(gòu)(圖 1)。不同結(jié)構(gòu)的沸石和微孔分子篩具有不同的孔徑和孔道形狀，至2008年9月，國際沸石學(xué)會(IZA) 的結(jié)構(gòu)委員會已審定了179種。

沸石結(jié)構(gòu)，有序介孔材料也有十幾種結(jié)構(gòu)類型。

水熱方法是沸石和分子篩最好的合成途徑，合成有三個基本過程:硅鋁酸鹽

水合凝膠的產(chǎn)生，水合凝膠溶解生成過飽和溶液，最后是結(jié)晶產(chǎn)物的晶化5]。典型硅鋁沸石生成機(jī)理有兩個極端，液相機(jī)理認(rèn)為是在溶液中成核和晶化，所有反應(yīng)物溶解進(jìn)人溶液;固相機(jī)理認(rèn)為無定形凝膠的結(jié)構(gòu)重排(重結(jié)晶)成為沸石

結(jié)構(gòu)，液相組分不參加晶化過程。多數(shù)情況下真正的機(jī)理可能是有固相參與的液相機(jī)理。嚴(yán)格的固相機(jī)理(沒有水或其他極性溶劑參與)在沸石合成中是不可能的。

下面是一個研究得較為透徹的例子，四丙基銨(TPA)在ZSM-5沸石生成過程中起著結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用[9]，圍繞著TPA的水合層與水合的溶解度大的硅酸鹽物種重疊生成最初的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合物，水合層的水分子將重新取向以繼續(xù)維持氫鍵網(wǎng)絡(luò)，并允許建立TPA的烷基鏈和疏水性的氧化硅物種之間的范德華力接觸，同時允許水分子從TPA和氧化硅物種周圍有序水合層中放出(圖2)[]，晶體的生長過程可能是通過一.層疊一層的生長模式擴(kuò)散到晶體的表面。

有序介孔固體的合成是在傳統(tǒng)的沸石和分子篩基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，只是利用表面活性劑形成的膠束作為幾何構(gòu)型模板劑，通過有機(jī)-無機(jī)離子間的靜電作用，在分子水平上進(jìn)行自組裝合成，并形成規(guī)則的納米級異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)。從原子水平看，這些介孔和大孔材料是無序的、無定形的，但是它們的孔道是有序排列的，并且孔徑大小分布很窄，是高層次上的長程有序。圖3為經(jīng)典的M41S系列介孔材料結(jié)構(gòu)示意圖。

無機(jī)多孔材料大都是通過自組裝(self- assembly)方法制備的，就是將幾種簡單的原料化合物混合在一-起，經(jīng)過一-定條件 下的反應(yīng)，得到某種產(chǎn)物。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，缺點(diǎn)是難以了解其反應(yīng)過程，可控性差。材料合成與制備的手段仍主要處于反復(fù)試驗的實驗基礎(chǔ)上，隨著社會需求的不斷增長，探索減少篩選盲目性，發(fā)展經(jīng)濟(jì)高效的新方法，開拓以功能為導(dǎo)向創(chuàng)造新物質(zhì)的途徑，已成為新世紀(jì)合成化學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵問題。如何通過調(diào)控合成條件和過程來有效地控制和改善產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與組成，從而達(dá)到具有特定性質(zhì)與功能的多孔材料的定向設(shè)計合成，一直是無機(jī)合成化學(xué)家們所關(guān)注的重要課題。