马晓森, 张丽晨, 刘砚超, 汪全华, 郑家军, 李瑞丰

无机材料学报 2023, 38 (5): 537-543. DOI:10.15541/jim20220449

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常见的吸附剂如13X等的硅铝比较低, 具有较强的亲水性, 但水和有机挥发份(VOCs)之间的竞争吸附, 常常会影响吸附剂对VOCs实际脱除效果。本研究利用CTABr为模板剂, 正硅酸乙酯为硅源, 对13X进行表面修饰, 制备了以13X为核, 介孔硅为壳的核壳复合材料13X@SiO₂, 并以甲苯作为探针分子在穿透实验装置对改性前后沸石分别进行干/湿条件下的吸附性能测试。结果表明: 在干燥条件下, 13X@SiO₂-2.6样品(制备中添加了2.6 mL正硅酸乙酯)相比13X原样的吸附量提升了18%左右。在30%和50%相对湿度下, 13X@SiO₂的最优吸附容量分别提高了约53%和90%; 循环再生实验表明13X@SiO₂-2.6样品经2次再生后仍保持初始样品90%的甲苯吸附量。

图3为样品13X@SiO₂-2.2和13X@SiO₂-2.6透射电镜照片, 显示出所制备样品具有典型的核壳结构。图3(A, B)显示样品13X@SiO₂-2.2的MCM-41壳层厚度大约为50~60 nm, 图3(E)显示复合材料壳层结构局部不连续(红圈所示)。从图3(C, D)可以看见少量直径约为150 nm硅微球, 壳层的厚度约为60~65 nm, 较13X@SiO₂-2.2稍厚。

图S3为样品的氮气吸附脱附等温线和对应的DFT模型孔径分布图。13X具有典型的“I”型等温线, 对应孔径分布曲线无明显的介孔结构, 表明13X为纯微孔沸石。沉积二氧化硅样品的等温线为“I+IV”型等温线。随着二氧化硅沉积量增大, 样品13X@SiO₂-v在p/p₀=0.25~0.45和p/p₀=0.45~1.0分别出现滞后环, 且在p/p₀=0.25~0.45范围内, 样品的N₂吸附量迅速增加, 这归因于13X表面沉积MCM-41壳层的影响。表1为四个样品的氮气吸附脱附数据, 尽管13X样品的比表面较小, 但研究介孔二氧化硅沉积对13X吸附性能尤其是湿VOCs条件下的竞争吸附性能还是有可比性的。与13X原样相比, 随着正硅酸乙酯加入量增大, 13X@SiO₂-v系列复合分子筛的比表面积和外表面积呈逐渐增大趋势, 而微孔面积和微孔容积逐渐减小。从图S3(B)孔径分布曲线可以看出, 13X@SiO₂-v系列样品中存在均匀的3~5 nm介孔结构。