第九卷 第二期 - 2009年六月五日
準單水鋁和氧化鋁的製備:水和1-Hexadecyl-2,3-dimethyl-imidazolium Chloride的效應

李典益、林宜學、李宇謦、謝東陵、林榮良*


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有孔洞的材料,依其孔洞直徑(ф)可以分成微孔(ф < 2nm), 中孔(2 nm < ф < 50 nm)和大孔(ф > 50 nm)三類。 Mobil公司的研究人員於1992首先發表具有規則排列孔洞結構的氧化矽和鋁矽酸鹽。界面活性劑分子當作模板導引、形成規則的孔洞結構。他們的方法已擴展到其他氧化物的合成。用於本研究的1-hexadecyl-2,3-dimethyl-imidazolium chloride具有陽離子型界面活性劑的結構特微:長烷鏈和陽離子頭基(圖一)。它也是離子液體分子。中孔洞氧化鋁具有高比表面積,配合獨具的物理、化學性質,在吸附、分離、催化等方面有廣泛的應用性。利用離子液體分子導引孔洞氧化鋁合成的研究和報告很少。本篇文章描述,於1-hexadecyl-2,3-dimethyl-imidazolium chloride存在下,aluminum tri-sec-butoxide 在不同含水量的乙醇中分解而生成準單水鋁和氧化鋁的結果。

圖一、1-hexadecyl-2,3-dimethyl-imidazolium chloride的結構

在準單水鋁和氧化鋁的製備中,我們使用了二種不同反應物比例的乙醇溶液,即Al/1-hexadecyl-2,3-dimethyl-imidazolium chloride/H2O的莫耳比分別為12/1/40(多水)和12/1/1.5(少水)。這二個溶液於40˚C 攪拌40分鐘後,再放入密閉容器內靜置2天。經此處理後產生了沉澱,此產出物(as-prepared product)可以進一步鍛燒而轉變晶型。我們針對晶相,顆粒形態,孔洞性質和鍛燒影響做分析。

圖二、不同反應物濃度比的產出物和鍛燒所引起的X-光繞射圖紋變化,(a)為多水;(b)為少水的繞射圖。

圖二顯示了不同反應物濃度比所生成產物的X-光繞射圖紋。多水條件下的產出物具有2θ在27.1, 49.6和64.8˚的繞射峯,可判定為準單水鋁晶型。它是一種含水,結晶性差的單水鋁晶型。經550˚C鍛繞後,這些繞射峯變寬、變小,顯示結晶區域變小。當被加熱至800˚C後,生成了γ-Al2O3 (2θ = 45.8和67.0˚)。然而,少水情況下所生成的產出物基本上為非晶型物質。但800˚C鍛燒仍然轉變為γ-Al2O3。另外,紅外光光譜研究顯示這些產出物含有離子液體的分子,但是在加熱至400˚C後消失。
圖三、不同反應物濃度比的產出物和鍛燒所引起的穿透式電子顯微圖變化,(a)為多水;(b)為少水的顯微圖。

圖三為穿透式電子顯微圖,顯示產出物和經800˚C鍛繞後的顆粒形態。多水的產出物具有互相交接的纖維狀粒子,800˚C鍛燒變為長形粒子。這個材料具有320 m2/g的比表面積,0.92 cm3/g的總孔洞體積,和9.9 nm的平均孔洞直徑。少水的產出物不具纖維骨架而是具有中孔的片狀粒子,800˚C鍛燒後仍具有片狀外形。此材料的比表面積,孔洞体積和平均孔洞直徑分別為260 m2/g,0.46 cm3/g和5.2 nm。

本研究中,水的含量對產物的顆粒外形、結晶相和孔洞特性都有很大的影響。多水條件下,Al(OR)3可以充分水解( Al(OR)3+2H2O→AlOOH+3ROH )形成纖維準單水鋁奈米粒子。與無離子液體的實驗對照後發現離子液體分子可促進纖維結構的形成。在少水的環境中,Al(OR)3 會在模板分子所生成的自組裝結構外圍不完全水解,因而形成具有中孔洞但無晶型的片狀粒子。模板分子在孔洞形成中扮演重要的角色,模板分子不存在時,並無中孔結構產生。


參考文獻
[1] C.T. Kresge, M.E. Leonowize, W.J. Roth, J.C. Vartuli, J.S. Beck, Nature 1992,359, 710.
[2] N. Zˇ ilkova’, A. Zukal, J. Cˇ ejka, Micropor. Mesopor. Mater. 2006, 95, 176.
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