介孔材料具有高比表面积、高孔隙率、孔径可调、吸附性强、选择性透过等独特的性质,因而在化学化工、生物制药、环境保护、绿色能源等领域具有广阔的应用前景。众所周知,孔体积、孔径分布、比表面积等孔结构特征决定介孔材料的性能,因此孔结构的测量和表征是相关应用不可缺少的技术前提。
目前测量介孔材料的标准方法是氮气吸附脱附实验。该方法通过氮气饱和吸附量确定总孔体积,根据BJH模型和毛细冷凝过程中孔径与压力的关系确定孔径分布及平均孔径,根据低压下单层或多层液氮分子吸附量以及BET方程确定比表面积。这种方法使用广泛、接受度高,但在实际操作中该方法需要消耗液氮以维持测量的低温环境,预处理及测量时间长。因此,无论面向实验室研究还是工业生产需求,人们都期望发展一种全新的替代技术或补充技术,以求更加快速便捷、经济安全地测定介孔材料的结构信息。
面向上述需求,华东师范大学的葛建平教授(点击查看介绍)研究团队展开积极的探索,在国际上首次报道了具有介孔响应特性的液态光子晶体材料,并发展了基于光子晶体的全新介孔测量方法。他们利用SiO2胶粒的乙二醇过饱和溶液作为检测试剂,这种试剂在静置后会自发析出液态光子晶体;当它与介孔物质混合后,乙二醇吸入介孔孔道中,导致析出的液态光子晶体晶格收缩,反射峰发生蓝移。一系列吸附实验证明,单位质量介孔物质导致的反射波长变化量(Δλ/m)与材料孔体积(V)呈正相关,而平均吸附温度(T)与材料孔径(D)呈负相关。借助介孔基准物的已知孔结构信息和光谱测量数据,上述关系即可量化为检测孔体积及孔径所需的工作曲线,进而实现从光谱数据确定待测物的孔结构。
虽然这种多孔测量技术目前仍处于探索阶段,检测的介孔材料也仅限于介孔二氧化硅。然而与传统氮气吸附脱附技术相比,该方法测量样品时间短、测量成本低,适用于原位无损测试,有望成为传统方法的有效补充。这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是华东师范大学的硕士研究生朱碧婷。
该论文作者为:Biting Zhu, Qianqian Fu, Ke Chen, Prof. Jianping Ge
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Liquid Photonic Crystals for Mesopore Detection
Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 252, DOI: 10.1002/anie.201710456
导师介绍
葛建平
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