介孔羟基磷灰石研究进展.pdf
第6 1 卷第2 期 20 09 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l S V 0 1 .6 1 .N o .2 M a y20O 9 介孔羟基磷灰石研究进展 赵森林,廖立兵 中国地质大学,北京1 0 0 0 8 3 摘要介绍羟基磷灰石的结构特点和纳米羟基磷灰石的制备方法。回顾介孔材料的发展历程,分析介孔羟基磷灰石的研 究现状并对其应用前景进行展望。 关键词无机非金属材料;羟基磷灰石;综述;介孔;分子筛;光催化 中图分类号n 1 3 8 3 ;R 3 1 8 .0 8文献标识码A文章编号1 0 0 l 0 2 l l 2 0 0 9 0 2 0 0 5 5 一0 6 磷灰石 a p a t i t e 是一族以钙磷酸盐为代表的矿 物,它在自然界的分布极广,广泛出现在各种地质作 用的产物中。磷灰石的晶体化学通式为A l 。 [ P 0 4 ] 6 乙,式中A 是以C a 2 为代表的2 价阳离子, 如c a 2 ,M 9 2 ,F e 2 ,s r 2 ,M n 2 ,P b 2 ,c d 2 , Z n 2 ,B a 2 ,稀土元素离子、碱金属离子N a ,K 以 及A g 也可进入A 位,形成耦合类质同像替换。结 构中A 离子可占据配位数为9 的C a l 与配位数为7 的C a 2 两种配位位置。[ P 0 4 ] 3 - 可被[ S i 0 4 ] 4 - , [ S 0 4 ] 2 - ,[ C 0 3 ] 卜,[ A s 0 4 ] 3 - ,[ V 0 4 ] 3 .,[ C 蛾] 2 一 等络阴离子团取代,其中以结构碳酸根离子最为常 见。Z 主要由F 一,0 H 一,C l 一组成,并可据此划分出 氟磷灰岩、羟磷灰石、氯磷灰石端员矿物⋯。羟基 磷灰石 h y d r o x y a p a t i t e ,H A 或} L 气p 是脊椎动物的 骨、牙等硬组织的主要无机组分,是为数不多的具有 广泛生物相容性的无机矿物材料之一。羟基磷灰石 的理论组成为C 锄o P 0 4 6 O H 2 ,其中C a /P 摩尔比 为1 0 /6 。H A p 晶体为六方晶系,P 6 3 /m 空间群,六 角柱体,垂直于c 轴的面为六边形。n 和6 轴夹角 为1 2 0 。,晶胞参数为口 0 .9 4 3 ~0 .9 3 8 n m ,f 0 .6 8 8 ~0 .6 8 6 n m ,Z 2 。在磷灰石结构中,由C a 2 位置呈等边三角形相间排列,构成平行于晶体c 轴 分布的结构通道【2 | 。 根据国际纯粹与应用化学协会 I U P A C 的定 义【3J ,孔道 窗口 尺寸小于2 .0 n m 的分子筛为微孔 分子筛,介于2 .0 ~5 0 n m 的分子筛为介孔分子筛。 收稿日期2 0 0 8 1 1 一1 3 作者简介赵森林 1 9 6 9 一 ,男,辽宁鞍山市人,高级工程师,博士 生,主要从事纳米矿物材料等方面的研究。 联系人廖立兵 1 9 6 3 一 ,广西河池市人,男,教授。博士生导师, 主要从事矿物材料学等方面的研究。 自从1 9 9 2 年M o b i l 公司的研究人员首次使用烷基 季铵盐型阳离子表面活性剂为模板剂,在碱性条件 下合成了具有单一孔径的介孔硅酸盐材料M 4 l S 以 来,由于介孔分子筛具有可调的、较大的孔径和大的 表面积,在催化材料和载体、传感器、吸附剂以及化 学组装和分子器件等方面有着广泛的用途,对介孔 分子筛的研究非常活跃。合成了多种具有规则孔道 结构的介孔分子筛,如S B A 一1 5 ,S B A 一3 ,S B A 一1 , M C M 一2 2 ,M C M 一4 9 ,H M S ,I a 3 d ,M S U 等。并提 出了多种介孔分子筛的合成机理,如液晶模板机理、 棒状自组配机理、电荷匹配机理和层状折皱机理等。 随着合成技术的不断创新,硅基分子筛系列,金属氧 化物介孔物质,部分金属硫化物、磷酸盐分子筛以及 上述硅基介孔分子筛的金属杂原子衍生物不断见诸 报道,使介孔分子筛的研究呈现出蓬勃发展的景 象[ 4 | 。 羟基磷灰石具有天然的孔道结构所形成的微 孔,具有表面吸附性,离子交换性及良好的热稳定 性,将其制成介孔材料,具有重要意义。 l 羟基磷灰石介孔材料’ 1 .1 纳米羟基磷灰石的制备 羟基磷灰石的制备方法主要是两大类,即干法 制备和湿法制备。湿法制备主要包括化学沉淀法、 水热合成法、溶胶一凝胶法和模拟体液法等。 干法制备即固相反应法,是将固态磷酸钙及其 他化合物均匀混合,在有水蒸气存在、温度高于 1 0 0 0 ℃的条件下,反应得到羟基磷灰石粉体的方 法[ 5 l 。 水热合成法是在一个密闭的压力容器内,用水 溶液作为反应介质,通过对反应容器加热,使得在通 万方数据 5 6 有色金属 第6 1 卷 常条件下难溶或不溶的物质溶解并重结晶№- 7 】。 化学沉淀法是把一定浓度的钙盐和磷盐的水溶 液混合搅拌,通过控制p H 值使之发生化学反应,产 生胶体羟基磷灰石沉淀物,通过煅烧研磨获得其晶 体粉末【8 - 9 I 。 溶胶一凝胶法是首先在有机溶剂中溶解醇盐并 通过加入蒸馏水使醇盐水解、聚合,形成溶胶。然 后,随着水的加入,溶胶转变为凝胶,凝胶通过真空 状态下低温干燥和高温煅烧处理,可得到纳米粉体 陶瓷【1 0 一12 | 。 模拟体液法是以模拟体液中的钙盐和磷盐为反 应物,在接近人体生理体温的模拟体液中和近中性 反应条件下,合成类似生理H A 结构的H A 粉 体[ 1 3 一l4 l 。 在这些比较常规的方法基础上,研究人员还使 用组合方法,如超声化学法[ ”】、微波法[ 1 6 】、微乳液 法[ 17 I 、反相微乳液法[ 18 l 、反胶团一热液法[ 1 9 1 等合 成了羟基磷灰石粉体,并针对各种合成条件,如p H 值【7 ,2 0 | 、干燥方法【2 1 | 、矿化液离子[ 2 2 ] 等对产品的影 响进行了细致的研究。 随着纳米技术的发展,纳米羟基磷灰石的制备 途径主要有3 种幢3 J 1 通过钙盐和磷酸盐在一定 条件下反应获得H A ; 2 珊瑚外骨和磷酸钙盐在水 热条件下反应获得H A ; 3 将异种骨在去离子水中 煮沸一定时间后,再在丙酮乙醚混合液中脱脂,最后 煅烧获得H A 。 1 .2 介孔材料的制备 1 .2 .1 单一介孔材料【24 | 。1 9 9 2 年,M o b i l 等科学 家对M 4 1 S M C M 一4 1 ,M C M 一4 8 ,M C M ~5 0 系列 硅基 S i I i c a .B a S e d 介孑L 分子筛的合成揭开了分子筛 科学的新纪元。介孔分子筛是以表面活性剂为模板 剂,利用溶胶一凝胶 s o l g e l 、乳液 E m u l s i o n 或微乳 M i c r o e m u l s i o n 等化学过程,通过模板和无机物种 之间的界面作用组装生成的一类孔径在2 ~5 0 n m 之间、孔分布窄且具有规则孔道结构的无机多孔材 料。介孔分子筛主要特征为具有规则的孔道结构; 孔径分布窄且在2 ~5 0 n m 之间可以调节;经过优化 合成条件或后处理,可具有很好的热稳定性和一定 的水热稳定性;颗粒具有规则外形,且可在微米尺度 内保持高度的孔道有序性。该材料一经问世即引起 了从事多相催化、吸附分离以及高等无机材料等学 科领域研究人员的高度重视。随着合成技术的不断 创新,H M S ,M S U ,S B A 硅基分子筛系列,灿q , P b 0 2 ,F e 2 0 3 ,w 0 3 ,V 2 0 5 ,M 0 0 3 ,Z 如等金属氧化物 介孔物质,部分金属硫化物、磷酸盐分子筛及上述硅 基介孔分子筛的金属杂原子衍生物不断见诸报道。 1 .2 .2 孔壁具有微孔的介孔材料。微孔分子筛具 有均匀发达的微孔结构和强酸性,但由于它有限的 孔径限制了较大分子进入其孑L 腔,或在其孔腔内形 成的大分子不能快速逸出而大大限制了其实际应用 范围。介孔分子筛虽然具有均匀规整的孔道结构和 狭窄的孔径分布,同时孔径和酸性均可调变的特点, 但是介孔分子筛亦存在着对那些需强酸催化的反 应,其酸强度不够、孔壁无定型水和热稳定性差等弊 病崆纠。很显然,理想的材料是保持介孔结构的同 时,合成既有较大孔径的均匀介孔,又具有微孔型孔 壁结构的复合材料。 目前开展介孔孔道与微孑L 孔道在一种分子筛材 料中的复合研究包含两种形式幢6J 1 具有规整介 孔孑L 道的微孔分子筛,即微孔分子筛中引入规整有 序的介孔,在保留微孔分子筛的强酸性和稳定性的 同时,有利于分子的扩散; 2 具有微孔沸石分子筛 部分性质的介孔分子筛,即在介孔材料的无定形孔 壁中引入沸石的初级或次级结构单元,实现孔壁在 纳米范围的结晶,同时保留了介孔材料的宽阔孔道。 目前的研究主要集中在利用沸石类材料做基体 合成孔壁具有微孔的介孔材料,合成法主要有三种。 一种是对已经合成的介孔材料进行处理,使孔壁部 分晶化,形成微孔。二是对已经合成的微孔沸石用 碱、酸或热处理后得到微孔/介孔复合材料。三是将 沸石的初级和次级结构单元引入到介孔孑L 壁中即前 驱体组装法,这种方法首先合成出具有分子筛初级 和次级结构单元的硅铝纳米簇,然后利用这些纳米 簇与合成介孔的模板胶柬自组装,制备出具有强酸 性中心和高水热稳定性的规则介孔分子筛。国外一 些研究小组幢7J 使用硬模板的方法制备出一系列含 有均一介孔孔道的沸石类材料。用来合成介孑L 沸石 类材料的硬模板主要有碳粒子、碳气凝胶、间苯二酚 一甲醛气凝胶和多壁碳纳米管等碳材料。 1 .3 介孔羟基磷灰石研究现状 介孔材料的水热稳定性较差,本质原因是介孔 材料的孔壁无定形。因此,将介孔分子筛无定形的 孔壁结晶或部分结晶,合成出既具有均匀可调的介 孔,孔壁又高度晶化的复合分子筛就成为追求目标。 羟基磷灰石本身具有微孔结构,晶化温度低且 热稳定性好,具有吸附性、离子交换性、光催化性及 固体碱性,以羟基磷灰石为孔壁合成的含有介孔结 构的材料研究引起了很多学者的重视。 万方数据 第2 期赵森林等介孔羟基磷灰石研究进展 Y a n b a oL i 等【2 8J 以K 2 H P 0 4 3 H 2 0 为磷源、C a . C 1 2 为钙源,用十六烷基三甲基溴化铵 汀A B 做模 板剂合成了孔径在l ~5 n m 的纳米羟基磷灰石,使 用X R D ,丌I R ,T E M ,S E M ,T G A 巾T A 对产物进行 了表征,结果表明羟基磷灰石的孔结构的热稳定性 达到7 0 0 ℃,孔的尺寸稳定与合成温度及C T A B / P 0 4 3 一比率无关。然而,作者没有给出具有有序介 孔材料特征的小角度X R D 衍射图谱。 H u a l i nW a n g 等倒以C T A B 做模板剂,用C a N 0 3 2 4 H 2 0 ,N H 4 H 2 P 0 4 合成了介孔羟基磷灰石。 F T I R 和D s C 结果表明在H A 沉淀物煅烧之前, ∞A B 的阳极头在其表面组装而更多的N H 4 也附 着其上。场扫描电镜 F S C M 显示有很多内部相连 的孔贯穿在H A 的网状骨架中。氮气吸附一解吸附 实验显示了一条介孔材料的I V 型曲线,基于B J H 模型的解吸附等温线方程计算出来的孔尺寸分布显 示贯穿H A 网状骨架的大部分孔的尺寸在4 0 n m 。 整体上孔径并不统一,分布在1 0 ~9 0 n m 之间,这是 由于有机模板剂结构的分解所形成的孔与铵盐分解 所形成的孔尺寸不同。根据B E T 方程计算出的不 规则的介孔羟基磷灰石的比表面积为3 7 .6 m 2 /g 。 S h u h u az h a n g 等【3 0 - 3 1J 使用无味无毒的表面活 性剂十二烷基磷酸酯 M A P 作为结构导向模板剂, 以C a N 0 3 2 4 H 2 0 和 N H 4 2 H P 0 4 为原料,采用模 板辅助技术第一次合成出了层间距为3 .6 n m 的新 颖的层状介孔结构羟基磷灰石。合成的样品外观呈 棒状,粒径1 5 0 n m ,长约1 0 肚m 。作者分别用小角衍 射 S X R D 、宽角衍射 w X R D 、F T I R 、S E M 、T E M 、 T G A .D S C 等手段对样品进行了表征。作者认为由 于十二烷基基团的憎水性质使其在羟基磷灰石相之 间形成了双分子层,由十二烷基磷酸盐双分子层和 羟基磷灰石相交替分布后形成多层。在较高的温度 下,由于层间表面活性剂的分解,因此这种介孔结构 的羟基磷灰石不能稳定存在,大约在4 0 0 ℃,完全脱 除有机物就会引起层状介孔结构的坍塌。 C h a oL i u 等使用十二烷基磺酸钠 S D S 为模 板,分别以C a N 0 3 2 4 H 2 0 和 N H 4 2 H P 0 4 为钙源 和磷源,在水、醇体系中合成了高度有序的层状羟基 磷灰石 h H A 粉末。X R D 和F T I R 分析表明该 粉末中只存在单一的羟基磷灰石结晶物相。T E M 图像进一步证实了在X R D 中探测到的规则层状结 构。在T E M 观察到的该结构的重复周期大约 3 .6 n m ,与X R D 推算的3 .1 6 n m 基本一致。区域电 子衍射 S A E D 结果显示L n H A 具有多晶结构。 作者用表面活性剂模板理论图解说明了L a .H A 的 形成机理【3 2 J 。模板剂用量的增加、氢氧化钠用量、 原料浓度、磷源、熟化时间、陈化时间对长程有序层 状介观结构的形成均有影响,乙醇/水的体积比应控 制在1 1 到1 2 之间【3 3J 。 M o b i l e 公司的科学家以表面活性剂分子形成 的相态为模板制备有序介孔材料时,利用溶剂扩孔 技术得到的介孔材料的最大孔径不超过2 0 n m 【27 f 。 使用高分子聚合物单分散微球形成的胶体晶体做模 板来合成大孔材料是一种常用方法。科学家们以单 分散的胶体颗粒为模板,合成了一系列尺寸分布均 一有序、孔道内部相互连通的三维规则大孔材料。 如果构成胶体晶体的胶体粒子的粒径小至纳米尺度 范围 1 ~1 0 0 n m ,则该胶体晶体通常称作纳米粒子 超晶格 n a n o p a r t i c l es u p e r l a t t i c e s ,其中作为构造单 元的纳米粒子也被称作为“人造原子”【3 引。运用胶 体晶体模板法,S .M a d h a v i 等∞5J 学者进行了合成三 维孔道羟基磷灰石材料的研究。他们以单分散聚苯 乙烯微球为模板剂,用H 3 P 0 4 的乙醇溶液与C a N 0 3 2 4 H 2 0 的水溶液混合所得到的前驱液充填 到模板空隙,晶化后煅烧除去模板,得到含有面心立 方结构骨架、孔径在0 .8 ~O .9 肛m 的三维孔道材料。 该方法给后来的研究人员提供了合成孔径超过 2 0 n m 的介孔材料的新思路。 使用非离子表面活性剂嵌段共聚物做模板能制 备出具有较大孔径的介孔材料【3 6 37 I 。S e n 等【3 8 J 以 正硅酸甲酯为硅源、嵌段聚合物P 1 2 3 和F 1 2 7 为表 面活性剂,以聚苯乙烯小球为模板合成了大孔材料。 从T E M 结果可以看出P 1 2 3 和F 1 2 7 焙烧除去后在 孔壁上产生孔径约为1 0 n m 的介孔,以及P 1 2 3 和 F 1 2 7 模板之间产生的1 n m 的微孔。K u a n g 等L3 9 J 使 用嵌段聚合物K L E 、离子液体C 1 6 m i m C l 和聚苯乙 烯小球三种模板剂制备了一种孔壁同时含有微孔和 介孔的大孔材料。从T E M 可以看出无机孔壁含有 两种不同尺寸的介孔结构,分别为由嵌段聚合物 K L E 产生的孔径约1 2 n m 的较大的介孔和由离子液 体C 1 6 m i m C l 产生的孔径约2 ~3 n m 的较小介孔。 Y .F .Z h a o 等【4 0 1 使用F 1 2 7 E 0 9 9 P 0 6 5 E 0 9 9 作 为模板剂,以右旋泛酸钙为钙源、三水合磷酸氢二钾 为磷源合成了介孔羟基磷灰石,并采用X R D 、小角 度X 射线衍射、场发射扫描电镜、高分辨率透射电 镜、B J H 气体吸附法等手段对合成样品进行表征。 结果表明,在高表面活性剂浓度的条件下,合成的样 品外观为球形,直径大约1 0 0 n m ,具有孑L 径约5 .8 n m 万方数据 有色金属第6 1 卷 的最大分布。在低表面活性剂浓度的条件下,合成 的样品呈棒状,长径约1 0 0 ~3 0 0 n m ,短径约4 0 ~ 5 0 n m ,具有约2 .5 3 n m 及3 .0 n m 的双孔径分布。作 者提出了形成两种样品的可能机理并对介孔结构的 形成期间的微观行为做了解释。 2介孔羟基磷灰石应用展望 羟基磷灰石是一种生物活性材料,与人体硬组 织中的无机物结构、成分相同,其生物相容性、界面 生物活性优于其他生物材料,已成为目前生物医用 材料领域中最为重要的,应用最为广泛的材料之一。 羟基磷灰石空旷的格架结构和普遍存在的均匀 微孑L 、大的比表面积和可交换离子性质,使得它具有 阴离子交换【4 1 】和吸附重金属[ 4 2 ] 及有机物[ 4 3 ] 的性 质,在环境保护领域具有广泛的应用价值H 4 | 。一些 学者研究证明【45 I ,H A P 对有机物如三氯乙烯、环己 酮肟、氯苯有较好的光催化作用。H A P 的光催化效 应机理是当紫外光 U V 照射在H A P 上时,在其表 面空隙产生了具有强氧化作用的0 2 一,而0 2 一类 似于O H 可以将许多有机物直接氧化。 由于羟基磷灰石有较好吸附效应和一定光催化 效应,人们开始重视二氧化钛/羟基磷灰石 T i O ’/ H A p 光催化剂的制备与开发,并形成了羟基磷灰石 包覆T i 0 2 [ 4 6 4 7 ] 和羟基磷灰石负载T i 0 2 [ 4 5 4 8 】的光 催化剂,光催化性能有明显提高是源于羟基磷灰石 对有机物的良好吸附,而并未改变其光催化反应的 机理。掺杂E u 和C e 离子后该材料的光催化性能 均有一定的提高H 9 | 。 银、铜、锌等重金属离子具有抗菌作用,而羟基 磷灰石基抗菌剂是重要的无机抗菌剂之一【5 旷5 1 | 。 羟基磷灰石具有较大的比表面积,存在六方轴向通 道,因此很容易交换和吸附A g ,C u 2 ,Z n 2 等金属 离子。A g 离子不仅可以被吸附在羟基磷灰石晶体 上,而且可以直接取代C a 2 离子进入羟基磷灰石晶 格结构内【52 | 。对于载银羟基磷灰石的抗菌机理除 了一般认为的是重金属离子破坏微生物细胞的能量 代谢系统、呼吸系统及电子传输系统,引起酶的损坏 从而导致细菌的死亡外【5 3 J ,还有学者认为银离子可 强烈催化材料表面的氧,使其分解出活性原子氧,而 原子氧具有极强的杀菌能力b4 I 。 羟基磷灰石具有固体碱性【55 | ,可以作为固体碱 催化剂用来催化M i c h a e l 加成反应和开环反应。 H A p 具有较强的阳离子交换能力,许多过渡金属, 如R u ,P d ,C o 和C u 可以进入H A p 结构成为催化活 性中心。因此,H A p 可以作为一种固体碱催化剂和 催化剂载体应用于各种催化反应。孔形H A p 负载 s r N 0 3 2 ,经焙烧后制备出了一种新型固体碱催化 剂。用此固体碱催化剂催化大豆油与甲醇的酯交换 反应,当负载质量分数达到3 0 %时,可使豆油的转 化率达到8 5 %呤6 J 。 微孔一介孔复合分子筛由于其特殊的孔径分布 和稳定的性能,可作为气固色谱的吸附剂来分离复 杂气体,优良的吸附能力与吸附容量在汽车尾气、工 厂废气等组分复杂、分子孔径大小不一的混合物时 具有巨大的潜在应用价值【57 | 。 介孔羟基磷灰石由于具有宽大的孔道空间和吸 附性能,可以作为载体材料负载T iO ,_ 、重金属等,加 强在光催化领域及无机抗菌剂领域的应用程度。介 孔羟基磷灰石较大的介孔可为大分子反应提供通 道,完全晶化的微孑L 孔壁为小分子的择形催化或需 要较强碱中心的大分子催化提供了可能。所以,介 孔羟基磷灰石分子筛在催化裂化大分子方面具有重 要的工业应用价值。酶是一种高效催化剂,能够在 温和的条件下加快化学反应速率。酶对所处的环境 十分敏感,在酸、碱、高温、有机溶剂中不稳定,容易 丧失催化活性【58 | 。无机载体作为酶固定化的载体 具有更高的化学稳定性,能保持酶特有的生物催化 特性,结构和表面性质易于控制。羟基磷灰石是一 种生物活性材料,且对蛋白质也具有吸附性能。介 孔羟基磷灰石有可能成为最适用与酶的载体材料。 3结语 羟基磷灰石具有微孔孔道,良好的热稳定性、吸 附性、离子交换性、光催化性和固体碱性,单体的制 备已经受到人们的重视。介孔羟基磷灰石将是同时 具有规整介孔孔道,并且孔壁含有微孔的单一物相 组成的材料,具有极大的使用价值。对介孔羟基磷 灰石进行功能化改性将会更加拓宽在相关领域的应 用范围。 参考文献 [ 1 ] 刘羽,彭明生.磷灰石结构替换的研究进展[ J ] .岩石矿物学杂志,2 0 0 3 ,2 2 4 4 1 3 4 1 5 . 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