碳酸钙作ldquo模板剂rdquo

随着科技的不断进步,多孔碳酸钙的研究于近十多年得到迅猛发展,其主要原因在于其具有大的比表面积、性质稳定、结构可控等诸多优点,在造纸、装载生物大分子、药物缓释、超疏水表面构建、陶瓷、骨修复等方面得到广泛应用。众所周知,多孔碳酸钙的形貌、性能及其用途与其制备方法和工艺有着密切关系。作为制备多孔材料所需的模板剂时,多孔碳酸钙所有的特性都很让人称心,例如“物美价廉、形貌可控、绿色无毒、便于消纳”等等,好像它只适合作个“模板”。多孔球形碳酸钙SEM照片

1、两种常见的多孔碳酸钙制备方法

目前,国内外在制备多孔碳酸钙时常采用的方法有模板法、乳状液膜法、共沉淀法、溶剂/水热法、凝胶结晶法、盐析法等。采用不同的方法可以得到形貌各异的多孔碳酸钙微粒,其粒径分布大致在1~8μm之间。1.1模板法在众多制备工艺中,模板法是常用且技术较成熟的一种。其主要原理是:将选好的模板剂通过一定的方法在其表面包覆一层碳酸钙,使其形成核壳结构,继而通过溶剂溶解、高温煅烧或化学反应等方法将模板剂去除,最终得到中空结构粒子。模板法主要分为软、硬模板法两种,在多孔碳酸钙的制备过程中主要以软模板法为主。模板法制备多孔碳酸钙,与以多孔碳酸钙为模板制备多孔材料原理类似,多孔碳酸钙“从模板中来,到模板中去”也的确有趣。1.2溶剂/水热法水热法于19世纪中叶开始研究,起初只是以水作为溶剂在高温高压下进行反应,从而实现沉淀、结晶、合成等操作,是纳米材料制备常用的方法之一。在水热法的基础上,经过大量的科学研究发现,利用有机溶剂代替水可实现对水敏感材料的制备,常称之为溶剂热法。它的出现,有效地解决了在其他方法制备纳米材料过程中的团聚现象。

2、多孔碳酸钙模板剂应用与研究

2.1制备电容器碳材料模板法是制备多孔碳材料的简单高效的常用方法,CaCO3作为一种难溶盐,在稀盐酸溶液中能够快速反应并溶解,制备及溶解过程简单污染小,利用CaCO3作为模板可实现多孔材料的绿色、高效、低成本制备。以CaCO3为模板和用KOH活化制备沥青基碳材料的过程示意图吴盘根等利用原位CaCO3模板法发展了一种批量制备大比容量多孔碳材料的方法,此方法制备的多孔碳材料具备丰富的孔道,材料的比表面积得到大幅提高,展现出良好的电容性能。研究中,吴盘根还以CaCO3模板法制备了氮掺杂和铁/氮共掺杂的多孔碳材料,并研究了其作为超电容电极材料和氧还原电催化剂的性能。李雅茹采用硬脂酸处理的纳米碳酸钙作为模板,煤沥青为原料,热解活化制备煤沥青基多孔碳材料。通过调节纳米碳酸钙和煤沥青的质量比,实现了对煤沥青基多孔炭材料孔结构的调控。研究表明,以上材料制备的多孔碳材料,表现出优异的双电层电容行为。2.2制备复合分子筛以多孔碳酸钙为模板剂,通过水热合成法制备分子筛的步骤主要有三步:首先混合钛源、硅源、模板剂形成混合胶液;其次,通过加热或者干燥等方式生成过饱和溶液;最后,将混合胶液在水热条件下高温晶化。李同辉等使用纳米CaCO3作为大孔模板剂,通过干胶转化法和水热合成法制备出大孔孔径在60nm左右的大孔/微孔复合钛硅分子筛TS-1。此外,系统研究了CaCO3的加入量、模板剂用量、水量等合成条件对分子筛孔径、钛物种状态及催化苯酚羟基化反应性能的影响。研究发现,CaCO3的作用不仅能够构建大孔,并且可以改变钛物种的配位形式。由于降低了扩散阻力及抑制了锐钛矿型TiO2的生成,大孔/微孔复合TS-1在催化苯酚羟基化反应中展现出优异的催化活性。2.3制备微胶囊多孔碳酸钙作为一种硬模板剂,使用这种模板剂制出来的高分子吸附剂被称为微胶囊。微胶囊的尺寸和形状由模板决定,囊壁组成及渗透性可由组装材料、层数及外部条件等调控,因而在药物传递、微传感器及微反应器等领域具有广泛的应用前景。微胶囊合成过程示意图杨辉等以纺锤形的碳酸钙粒子作为模板,通过在其表面交替组装牛血清白蛋白(BSA)和聚乙烯亚胺(PEI),得到纺锤形聚电解质微胶囊,这些微胶囊的特殊形状会影响其输运行为,有望作为药物载体用于血管或肺部疾病的治疗。

结语

制备多孔材料的方法有很多,模板法制备的样品形貌规则、结构稳定、分散性好且比表面积较高而备受学者


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