介孔材料合成中的相转变：介绍一篇文章的来龙去脉
2011-11-19 13:38
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标签：介孔材料, 相转变
最近跟CC师妹合作的文章在microporous and mesoporous materials发表，简单写一博文介绍一下此文的成因。文章信息：
Title: Surfactant chain length effect on the hexagonal-to-cubic phase transition in mesoporous silica synthesis
Author(s): Liu, Changchang; Wang, Xiaoming; Lee, Sungchul; et al.
Source: Microporous and Mesoporous Materials Volume: 147 Issue: 1 Pages: 242-251 Published: 2012
CC于2008年加入我们课题组，2009年夏天正式开始实验工作。当时她的课题尚未确定，导师让我想一个小题目，让她学习一下实验室的基本技能，也感受一下课题组大概的工作方式。我当时在做碳纳米管负载催化，一直在考虑一个问题，就是碳载体的石墨化程度，对催化效果有什么影响。那么一个简单的可以想到的实验，就是用孔径差不多的碳纳米管（高度石墨化）和介孔碳（石墨化程度很低）做个对比。最早文献中出现的介孔碳，是用介孔材料MCM-48合成的。所以我向导师建议，可以让CC尝试一下MCM-48的合成。导师也很赞同，不过是从另外的角度。我们实验室对MCM-41的研究已经进行了十年有余。MCM-48可以保持跟MCM-41差不多的孔径，但是结构由一维变成三维，对某些受传递影响较大的催化反应可能更有利。所以我们确定下来，CC同学花2-3个月的时间，对MCM-48的合成做一点研究。
做过介孔材料的同学，基本上都做过MCM-41和SBA-15两种材料，原因之一，就是这俩材料太容易合成了，MCM-48就不那么容易了。相信很多做过介孔材料的同学都看到过下面这张图。这张图告诉我们以下的信息：1）改变实验参数，比如温度、浓度等，可以实现从六方相一维管状的MCM-41，到三维立方相的MCM-48，再到二维层状的MCM-50的相转变；2）MCM-48稳定存在的条件范围比较窄，需要严格控制条件才能得到。在试验中，通常是采用加入共表活剂的方法。
我之前已经做过一点MCM-48的合成，初步摸索到了比较合适的合成条件。于是向CC建议，采用DOE的方法，对MCM-48的合成条件做一个系统的探索。一方面，学习一下科学的实验设计方法，另外一方面，如果实验室以后需要大规模做MCM-48的话，也为后人（也可能是CC本人）的工作提供一些基础。
于是我们设计了正交试验，然后CC同学非常辛苦的做了二三十个样品，我只是在一开始帮了一些忙，手把手的教会了各种操作之后，大多数样品就交给CC完成了。一分析试验结果，我们发现很有意思。随着表活剂分子量（链长）的变化，我们也发现了类似上述温度、浓度等的影响，即从MCM-41（六方相）到MCM-48（立方相）的转变。最初我们是希望看看我们的结果是否与文献一致（心想这么明确的东西，肯定有人做过了呀），但是文献检索的结果表明，几乎所有的MCM-48的文章，都是用同一种表活剂CTAB来做的。很奇怪的是，关于共表活剂的研究有很多，甚至有人研究过共表活剂的链长对六方相到立方相转变的影响，但是表活剂本身，这个合成里面最重要的东西，为什么没有人想过去换一换呢？于是我对CC说，我们可以写文章了，这个收获，虽然对我们自己的研究没什么用处，但是可以供同行参考。
这篇文章如果要我来写，这样就差不多了。但是CC同学来自中科大一个非常牛的组，大概peer pressure也不小，对自己要求很高。我前面博文不是说过CC嫌我做实验粗放么？这里她又嫌我写文章粗放了。所以CC没有着急写文章，而是阅读了大量的文献，并且发现了几十年前的一个关于表活剂在溶液中形态的模型，可以解释我们的相转变结果。根据模型来预测，如果我们增加表活剂用量的话，相转变的转变点会向长链方向移动。于是CC又补做了一组实验，证明在改变表活剂用量的情况下，相转变确实符合模型的预测，于是才开始写文章。
这中间又经历了CC换题目、我毕业、导师出国做访问学者等诸多事情，文章差不多在CC动笔两周年之际正式发表。这是CC在美的第一篇文章，也希望CC能够在科研中有更多的收获！
最后附上文章的TOC图，从XRD结果可以清楚的看到，随着表活剂链长的增长，材料由六方相变为无序相又变为立方相。
Title: Surfactant chain length effect on the hexagonal-to-cubic phase transition in mesoporous silica synthesis
Author(s): Liu, Changchang; Wang, Xiaoming; Lee, Sungchul; et al.
Source: Microporous and Mesoporous Materials Volume: 147 Issue: 1 Pages: 242-251 Published: 2012
CC于2008年加入我们课题组，2009年夏天正式开始实验工作。当时她的课题尚未确定，导师让我想一个小题目，让她学习一下实验室的基本技能，也感受一下课题组大概的工作方式。我当时在做碳纳米管负载催化，一直在考虑一个问题，就是碳载体的石墨化程度，对催化效果有什么影响。那么一个简单的可以想到的实验，就是用孔径差不多的碳纳米管（高度石墨化）和介孔碳（石墨化程度很低）做个对比。最早文献中出现的介孔碳，是用介孔材料MCM-48合成的。所以我向导师建议，可以让CC尝试一下MCM-48的合成。导师也很赞同，不过是从另外的角度。我们实验室对MCM-41的研究已经进行了十年有余。MCM-48可以保持跟MCM-41差不多的孔径，但是结构由一维变成三维，对某些受传递影响较大的催化反应可能更有利。所以我们确定下来，CC同学花2-3个月的时间，对MCM-48的合成做一点研究。
做过介孔材料的同学，基本上都做过MCM-41和SBA-15两种材料，原因之一，就是这俩材料太容易合成了，MCM-48就不那么容易了。相信很多做过介孔材料的同学都看到过下面这张图。这张图告诉我们以下的信息：1）改变实验参数，比如温度、浓度等，可以实现从六方相一维管状的MCM-41，到三维立方相的MCM-48，再到二维层状的MCM-50的相转变；2）MCM-48稳定存在的条件范围比较窄，需要严格控制条件才能得到。在试验中，通常是采用加入共表活剂的方法。
我之前已经做过一点MCM-48的合成，初步摸索到了比较合适的合成条件。于是向CC建议，采用DOE的方法，对MCM-48的合成条件做一个系统的探索。一方面，学习一下科学的实验设计方法，另外一方面，如果实验室以后需要大规模做MCM-48的话，也为后人（也可能是CC本人）的工作提供一些基础。
于是我们设计了正交试验，然后CC同学非常辛苦的做了二三十个样品，我只是在一开始帮了一些忙，手把手的教会了各种操作之后，大多数样品就交给CC完成了。一分析试验结果，我们发现很有意思。随着表活剂分子量（链长）的变化，我们也发现了类似上述温度、浓度等的影响，即从MCM-41（六方相）到MCM-48（立方相）的转变。最初我们是希望看看我们的结果是否与文献一致（心想这么明确的东西，肯定有人做过了呀），但是文献检索的结果表明，几乎所有的MCM-48的文章，都是用同一种表活剂CTAB来做的。很奇怪的是，关于共表活剂的研究有很多，甚至有人研究过共表活剂的链长对六方相到立方相转变的影响，但是表活剂本身，这个合成里面最重要的东西，为什么没有人想过去换一换呢？于是我对CC说，我们可以写文章了，这个收获，虽然对我们自己的研究没什么用处，但是可以供同行参考。
这篇文章如果要我来写，这样就差不多了。但是CC同学来自中科大一个非常牛的组，大概peer pressure也不小，对自己要求很高。我前面博文不是说过CC嫌我做实验粗放么？这里她又嫌我写文章粗放了。所以CC没有着急写文章，而是阅读了大量的文献，并且发现了几十年前的一个关于表活剂在溶液中形态的模型，可以解释我们的相转变结果。根据模型来预测，如果我们增加表活剂用量的话，相转变的转变点会向长链方向移动。于是CC又补做了一组实验，证明在改变表活剂用量的情况下，相转变确实符合模型的预测，于是才开始写文章。
这中间又经历了CC换题目、我毕业、导师出国做访问学者等诸多事情，文章差不多在CC动笔两周年之际正式发表。这是CC在美的第一篇文章，也希望CC能够在科研中有更多的收获！
最后附上文章的TOC图，从XRD结果可以清楚的看到，随着表活剂链长的增长，材料由六方相变为无序相又变为立方相。
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