synthesis of supramolecular-templated mesostructured tin oxide

4
Synthesis of supramolecular-templated mesostructured tin oxide Yu-De Wang, Chun-Lai Ma * , Xiao-Dan Sun, Heng-De Li Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, People's Republic of China Received 26 October 2000; received in revised form 13 December 2000; accepted 28 December 2000 Abstract In this study mesostructured tin oxide was synthesized for the ®rst time under acidic conditions at room temperature. Meso- structured tin oxides possessing dierent d -spacing were synthesized using a cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) as the organic supramolecular template, hydrous tin chloride SnCl 4 5H 2 O as the inorganic precursor and NH 4 OH as the counterion source. The synthetic factors such as the ratio of reactants, aging time) were investigated. The resultant products were examined by XRD, TEM, and TGA. It was found that the ratio of CTAB/Sn 4 was important to the d -spacing of the 1 0 0) layer of the material. The formation of the tin oxide mesostructured material was proposed to be due to the presence of interactions between the supramolecular template and inorganic precursors Sn 4 and OH , which was supposed to self-assemble around the cationic surfactant molecules. Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Supramolecular template; Inorganic precursor; Mesostructured tin oxide; Aging time 1. Introduction Research in supramolecular-templated mesoporous materials began in the early 1990s with the announce- ment of MCM-41 and the M41s family of molecular sieves [1]. The mesoporous structures were derived from supramolecular assemblies of surfactants, which acted as the templates of the inorganic components during synthesis [2]. This technique of using supramolecular templates to produce materials with dierent composi- tions, pore sizes and novel properties has attracted considerable attention because of their remarkably large surface areas and narrow pore size distributions, which make them ideal candidates for catalysts, molecular sieves, gas sensors and electrodes in solid-state ionic devices [3]. Tin oxide is an n-type semiconductor oxide and has been widely used as a catalyst for the oxidation of or- ganic compounds, and in gas sensors, rechargeable Li batteries, and optical electronic devices [3]. Till now, several synthetic methods utilizing the supramolecular templating mechanism have been reported for the preparation of mesoporous tin oxide [2±6]. However, the preparation of mesoporous tin oxide under acidic con- ditions has not been reported, to our knowledge. In this study, we investigated the synthesis of mesostructured tin oxide using cationic surfactant CTAB) as organic template and simple chemical materials SnCl 4 5H 2 O and NH 4 OH) as inorganic precursor and counterions, respectively, under acidic conditions at room tempera- ture. The thickness of the d -spacing of the products was varied by varying the ratio of the surfactant and inor- ganic precursor. The formation mechanism was pro- posed based on the characterization of the materials by X-ray diraction analysis XRD), transmission electron microscopy TEM), and thermogravimetric analysis TGA). 2. Experimental All the chemical reagents used in the experiments were obtained from commercial sources as guaranteed- grade reagents and used without further puri®cation. The purity of SnCl 4 5H 2 O and CTAB was 98% and 99%, respectively. Reactions were performed at room temperature. The starting compositions are presented in Table 1. As a typical run sample 2), the synthetic procedures were as follows: 1) 5 g CTAB were mixed with 100 ml distilled Inorganic Chemistry Communications 4 2001) 223±226 www.elsevier.nl/locate/inoche * Corresponding author. Tel.: +86-010-62772977; fax: +86-010- 62771160. E-mail address: [email protected] C.-L. Ma). 1387-7003/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII: S 1 3 8 7 - 7 0 0 3 0 1 ) 0 0 1 4 9 - 6

Upload: yu-de-wang

Post on 05-Jul-2016

214 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

��������� ��� �������� ���������� ����� ���� �� ��� ����

����� ����� �������� �� �� ������� ���� ������� ��

���������� ������� � ������� ��� ������������ �������� ����������� ������� ����� � !�� �"� #���$ �� %����

����!�� "# $��%� "&&&' ����!�� �� �!���� � () �����%� "&&&' �������� "* �����%� "&&&

��������

+� ���� ����� ����� ���� �� ��� ���� ,�� ��������-�� ��� . �� ���� ���� ������ �������� �� � ����� ��� �/ ����

�� ���� �� ��� ����� ��������� ��0� ��� ��������� ,� � ��������-�� ����� � ������� �� ������ 1������ �������������� % ������2345 �� ��� ����� ��� �������� ��������� ��� �� ��� ��� ��� �����6 � 7�"$� �� ��� �� ����� � ��� � ��� 8�6$� �� ���

����� �� �� ��/ 2�� ��������� ��� � 1���� �� ��� ��� ��������� ����� ����5 ,� � ��!���������/ 2�� �������� � ����� ,� �

�������� %� � �� 29�� ��� 2:3/ +� ,�� ��� ���� ��� ��� �234;��6� ,�� ��� ���� � ��� ��������� ��� 1( & &5 ���� ��� ���� ���/ 2�� ����� ��� ��� ���� ����� ���� �� ���� ��� ,�� � ���� � %� ��� � ��� � ������ ���� ������ %��,���

��� ��� �������� �������� ��� �� ����� � ��� � � ��6� ��� $��� ,���� ,�� ������� � ���������%�� � ��� ��� ��������� ������ ��������/ � "&&( 9���!�� ������� 4/</ 3�� ����� ��� !��/

&��'���( ��� �������� ��������' +� ����� � ��� � ' ����� ���� �� ��� ����' 3���� ����

� ���� ������

���� �� �� ��� �������� ���������� ���� ������ ���� %���� �� ��� �� �� (==&� ,��� ��� ������������ ����6( ��� ��� �6(� ����� ������� ���!�� >(?/ 2�� ���� �� �� ���� �� ,� � �� �!�� ���� �������� �����%���� �� �������� ,���� ������� ��� ��������� ��� �� ����� �������� �� ������������ >"?/ 2��� ������@�� ����� ��� �������� ��������� � � ���� ���� ���� ,��� ��0� ��� ����������� � � ��-�� ��� �!�� � �� ���� ��� ��� ����������� �%�� �������� %������ ���� ��� A�%�� �� ���� ��� � ��� ��� �� , � � ��-� ���� �%������ ,������A� ���� ����� ���������� ���������� ������� ���!��� ��� ���� � ��� ����� ��� �� ���������� ������!���� >)?/2�� ���� �� �� ������ ���������� ���� ��� ���

%��� ,����� ���� �� � �������� ��� ������� ������ �������� ��� �� ��� ���� �� ���� ���%�� ��%���� ���� ��� ������ ����� ��� ��!���� >)?/ 2��� �,���!� �� ��������� ������ �����-��� ��� ��� �������� ���������� ��������� ��!� %��� �� ��� ���� ��� ���� ���� �� ��� ���� >"B#?/ �,�!� � ���

� ��� ���� ���� �� ��� ���� ���� ������ ��������� ��� �� %��� �� ���� � � A�,�����/ +� ���������� ,� ��!��������� ��� ��������� ����� ���� ����� ���� ����� ������� �� ������ 1�2345 �� ������������� ��� ������ �������� ���� ���� 1����6 � 7�"$��� 8�6$�5 �� �� ����� � ��� � ��� ����� ���� �������!���� ���� ������ �������� �� � ����� ���� �/ 2�� ����A���� ��� ��������� ��� � ����� ,��!� ��� %� !� ���� ��� ��� ��� �� ������ ��� �� ������ � ��� � / 2�� ����� ��������� ,�� � ����� %���� � ��� ��� ���� �-���� ��� ���� ���� %��� �� ��0 ����� �������� 1� �5� � ��������� ����� ���� ���� 129�5� ��� ��� �� �!���� �� ��������12:35/

� ������������

3�� ��� �������� ������� ���� �� ��� ���� ������,� � %������ � ���� ���� �� ��� �� ��� �������� ��� ������� ��� ���� ,����� � ��� �� �.�����/2�� �� ��� ����6 � 7�"$ ��� �234 ,�� =*C ���==C� �������!���/ ������� ,� � �� ��� �� � ����� ��� �/ 2��

��� ���� ��������� � � � ������� �� 2�%�� (/ 3� �������� �� 1������ "5� ��� ��������� � ���� �� ,� � ����,�D 1(5 7 � �234 ,� � ����� ,��� (&& �� ���������

+� ����� ������� � ������������ 6 1"&&(5 "")B""#

,,,/����!�� /��;�����;�����

�� �������� ���� / 2��/D E*#�&(&�#"FF"=FF' ��D E*#�&(&�

#"FF((#&/

�)��� �������( �������G����/��������/���/�� 1�/��/ ��5/

()*F�F&&);&(;H � ��� �� ����� � "&&( 9���!�� ������� 4/</ 3�� ����� ��� !��/

I++D � ( ) * F � F & & ) 1 & ( 5 & & ( 6 = � #

�����-�� ,��� ,��� ��� ��� ����� � ������� ������� ,�� %������' 1"5 # �� 8�6$� 1"7 ,�/C �������5 ,� � ����� ,��� "6 �� ��������� �����-�� ,��� ' 1)5��� ������ ������� 8�6$� ,�� ���� ����� ��� ����234 ������ ,��� ��� ���' 165 ,��� ��� ������ ������� %����� �������� ��6� ������ ,���� (" �����6 � 7�"$ ,� � ������� ,��� (&& �� ��������� ������-�� ,��� ,�� ��� ������ � ������ � ,���� ��� �' 175��� ��� ��� " �� ��� � ���� ,�� ���� �� ������ ��� � ��� �@�� �� ����' 1#5 ��� ��������� ���� ,�� .��� ��� ,����� ,��� ��������� �����-��,��� � ��� � ��� �� ��%���� ����� ��� �� ��,�� %����������� �� �� �� ��0� ��� ����� ��� �� " �/ J���� ��� ���� ���� ������� ��������� ��� �� ��������� ����� � ��� � ��� ����� �� ,� � ��� � �����,��� ��0� ��� �K����� ��@������/I,�� � � ���� ,� � �� ��� ����� � ���A� �;

���� 3 ��0 ������� ,��� �� L� ������� 1� � (�76(*�35/ 2�� ������� ,� � ������� � (/"� � (&� ��� "&�� *&� 1"�5 �� ����� &/&"�/ 2�� � ��������� ����� ���� � ���� ,� � %������ � � ��������*&& � ���������� ����� � ��� ���� �� ���� �� "&& A</ 2:3�� !�� ,� � %������ �� M,��� ��� ��� � 2:3"&7&,��� � ����� ��� � ��� ���� ��� (&��;���/

� ������� �� ���������

N��/ ( ��,� ��� � � ����� �� ��� �����������-��������� �� � ����� ��� � ����� ) ���� ��� ��������� 7 ���������� �� 7&&�� 6 �/ 2�� ����� �������� � �,������ ��0 ����� ���A � �������� ���� 1( & &5 ����� ���� �� ���� ����/ ������ ����� ��,� � %�� !�� �� � �!��� , A >"�6B((?/ 3�� ���� ��������%�� �M������ ���� �%�� ����� �� ��������� �� ��� ���� "� "&B*&� ���� � � ��� ���� ����� ������� ���/2�� �!� ��� ���������� ��� 1( & &5 ���� � �� ��� �����������-�� ��$" ��������� � � 6* ��� "* �3� ��������!���� �� ���� ����� � ��� ���A ������� �� ���� � ����� ��/ 3� %�� !�� �� ��� (B) ��� 6B7�������� �� ��� ��� �234;��6� ��� � ��0� ��� � ������ ��� ���������� ���� �234;��6� ������ �� ��� ����� �� �� ��� ����� ����� ���� �� ��� ����/3� ��� ��� �234;��6� �� ���� ���� (/& 1 ��� (B)5���� ������� ��������� !� � % �� ��0 ����� ���A� ������ �!� ��� ��������� ��� 1( & &5 ���� � ,�� "* �3/ +�

��� ���� ��� ������� ��,�� ��� � ��0 ����� ���A���� ��� �!� ��� ��������� ,�� 6* �3 ,��� ��� ��� �234;��6� %����� �� �� ���� �@��� � (/&/ 2����0� ���� 1"& �35 %��,��� ��� �, ��������� !����� ����������� ���������� ���� ����� �, ����� ���� �� �������� ��!� ��0� ��� �� ���� �� ���� ��/ � � , A ��%���� ��� ��� ��� ��!��������� ������ ,��� %� �� ������� / +� �������� ,��� ��� ��6� ,�� ����� � ����234 ��� ���� $�� ,�� ������ ��� �234 ,������� � ����� ������� ����6 ��� 8�6$�� ��� �����������-�� ������� ��� �� ��, ��� �, "� ��0 ��������A� �� ��� � � ����� ��/+� ,�� ��� ���� ��� �� ������� �������� %��,���

��� �� ������ ��� ��� �� ����� ������� ,�� ��� ���� ��� ����� ��� �����B�� ����� ���������>("?/ �� ��� ��, A� � � ���� � ���� ���-����������� ����� %���� � ��� �����.� ���� ����� ������ ���� ����� %��,��� � ��!�� �� ����� � ���� � �� ��� �� ������ ���� � �� �� >()�(6?/ 4� ���������� ����� ��� ������� ����� ����,�� �� �������,�� � �� �� ��� �� ���� � �� ��� � �� �� ��� �� ������ ��� � ��� �� �� � ����� ��/ �� ��������� ���� ��������,�� ���� ������� ��� ����� ��� ����� ���

N��/ (/ � � ����� �� ��� �����������-�� ����� ���� �� ��� ���� ��

�� �����������6� ���� 1�5 &/*D(� 1%5 "/&D(� 1�5 &/6D(� 1�5 &/"D(� 1�5(/&D(� ��� ��� ���������� �� 7&&�� 6� "/&D( 15/

2�%�� (

��������� �������� ����� ���� �� ��� ���� �� � ����� ��� � ��� � �� ���� ��� � �����

8/ �234;��6� 1��� 5 8�6$� 1��5 �� 3���� ���� 1���5 ��������� 1( & &5 1�3� ����� ) ����5

( &/"D( 6 "/& (� )� 7� F "*

" &/6D( # "/7 (� )� 7� F "=

) &/*D( = "/# (� )� 7� F "*

6 (/&D( (( "/* )� F 6*

7 "/&D( (" )/& )� F 6F

""6 *+)�+ ,��� �� � + - .������� %�������� %����������� /0���1 0023004

�� �� ��� ����/ J��� ������ ��������� �� ��� ��������� ����,�� ��� ��� ������� ����� 1��5 ��� ����� ������ ���������� ����� �23� 1��5 ���� %� ���� ���������-� ����� ���� �� ��� ����/ 2�� �� 1������ ������ ���� �� ��� ��� 4 �� ��� $��5 %����� ��!�!���� ��� ���� ����,�� �� ���� �� !�� � %�0� ��� �������� %��,��� ��� �� ��� �� %� ����� ,��A ��� ���%����� ���/ 2�� ���� ������ %��,��� ��� �� �������������� 1�23�5 ��� ��� �� ����� ����� ���1$��5 ��� ������ ��� ��%������ ��� �� ��������� ��� ��� ���������%���� �� ����� ���� ���� ����� ������ �������� ,��� � �� � ������ � �� � �� �������� �� ��� ��� ��� %����� ���� �����/3�� ���� � � ��������� � ���� ��� $�� �� �������� ���������%�� � ��� ��� ������� �� ������ 1�2345�������� %� � ��� ������� ��� ��6� ������ ����� ��� ��6� ��� ��� %� ��� ����� %� ��� �����%���$�� � � ��� ����� ���� �� ��� ����/ N� ��� , A�� � %� ��� � ��� � ��.���� ���� ��������/2�� ��M����� ��� ����� ���� � ����� ���� �� ���

���� ,�� ��!���������/ 2�� ���� ������� ������ ��������� " �� ��0� ��� ����� ����� � � ��,� �� N��/ "/ +���� %� ���� ���� ��� ��� ���� ������ ��� �,������ ���A������� ������ ,��� ����� ����/ �,�!� � ,��� ��� ���� ������ ����� ����� ��������� ��� 1( & &5 ���� ��������� ��� ����� � "* � )& �3� ���������� ��������� ����� ���� �� ���� ��� ��� ������ �� ��� �����/ 2��� � �� ���� � ,�� ��. ��� %� 29� �����/ 2�� �����������-�� ������� ,��� �234;��6� ��� �@��� �&/6D( ��� "/&D( � � ��� �������� � 29� ��� �� ���� 1N��/ )5/ 2�� �������� ��� �� �� , �������A� ������ ��� %� ���� � ��� 29� ������/ 3�� ��� ������� ��!� ������ � � �� ���� � � ���� ������ " ������ 7/

2�� �� �!���� �� �������� ��� �����������-��������� ���� 8" ������� � ��,�� ��� ��� ,��� %��, ((&��� �� ������ ��� ��� (F*�� ��� ������� ��!�� �� �%�� "7&�� 1N��/ 65/ 4���� � ��� ���� ������� ������� ���� ��� �����������-�� ������� ���%� ��� ����� �� �(�*��$" ��"$�) � �234/ 2�� ,�������� ��� �� �� �%�� )7&�� ������ ) ��� �%��)F6�� ������ 7� � %�%�� �������� � ��� ��%���@���� ��!�� ��� �� %� ������/ 2�� � ,�� � ��������%�� ,����� ��� �%!� 7&&��� ���������� ���� ����� ������ ,�� ��������� ��!�� � ����� ���� ���$" ��� ���������� �� 7&&��/ 2��� �� ��������� ,���,��� ,�� �� ��� %� ���� ��� ��� >)?/��������� ��� ������� �� 7&&�� �� �� 6 � �������

�� ��� ������� ��� ���� �� �� ���� �/ � � ������ � ��� ��,�� ��� � ������ ������� ��� � ���������

N��/ "/ � � ����� �� ��� ������ " ����� ���� �� ��� ���� ��

��0� ��� ����� �����/

N��/ )/ 29� ������ �����������-�� ����� ���� �� ��� ����� �� ���

�234�����6� ���� &/6D( 1�5 ��� "/&D( 1%5 ��,��� ��� ����������� �� �� , �������A� ������/

N��/ 6/ 2:3 � ��� �� ��� ��� �����������-�� ������ ) 1�5 ���

������ 7 1%5/

*+)�+ ,��� �� � + - .������� %�������� %����������� /0���1 0023004 ""7

1N��/ (155 ,����� ��� �,������ ���A�/ +� ,�� � �������� ��� ���������� �� 6&&�� ��� �� ��� ��� ���� ��� �������� ��� ���� � ���� ��� ���� � �������!������ ��� >#?/+� ���� ����� ,� ��� ��� ������ �����%�� ����,�� �

� ��� � ��� ����� ���� �� ��� ���� ���� ������ ��������� �� � ����� ��� �/ 2�� ����� ���� �� ������� ,�� ��������-�� ����� � ������� �� ������1�2345 �� ��� �� ���� � �� ��� � ��� ��� �� ������ ��� �����6 � 7�"$� �� ��� �� ����� � ��� � /�,�!� � ��� ����� ���� � ,�� ���� ��� ��� ����������� �� 7&&�� 6 � �����-��� ���� ��������� ��� ���/N� ��� , A ,��� ��� � ��� !��� ��� ��� ���%����� ��� ����� ���� � ��� ���� ,���� ��� �� ������ ��%���� ��!�� � ���� ����������� ��������� �������� ������� � ��� %� ��� !��/

�������� �������

2�� ���� � ��A�,����� ��� .������� ���� � ���8������ 8��� �� ������� N������� ����� 18/7=*)"&F&5/

����������

>(? �/2/ L ����� �/9/ ���,��-� �/O/ ��� O/�/ <� ����� O/�/ 4��A�

8��� � )7= 1(=="5 F(&/

>"? O/�/ ����� �/I/ ����� �� �/�/ ���� 3���,/ ����/ +��/ 9�/

9���/ )* 1(===5 7#/

>)? N/�/ ����� �/�/ ���� ����/ �����/ 1(===5 (*"=/

>6? 8/ <��������� �/8/ / �� ����/ �����/ 1(==#5 (#*7/

>7? �/ P�� O/ ��� �/ ������ Q/ Q��� ������� (6 1(==*5 "7F=/

>#? L/:/ ��!� ��� 2/�/ 3%����N������ 2/O/ I����!���� ����/

�����/ 1(==*5 (6F(/

>F? I/2/ 2���!� 2/O/ I����!���� ������� "#F 1(==75 *#7/

>*? �/3/ 4�����,� 2/O/ I����!���� 3���,/ ����/ +��/ 9�/ 9���/ )7

1(==#5 ((&"/

>=? �/4/ ��������� O/�/ <� ����� J� I����� 7 (7# *"=� (=="/

>(&? 8/ ������� N/�/ ��-� N/O/ N�R���� ����/ ��/ ����/

�����/ 1(==65 =#F/

>((? �/�/ 3�������� O/�/ ����� 3���,/ ����/ +��/ 9�/ 9���/ )6 1(==75

"&(6/

>("? I/�/ ����� �/�/ Q��� �/+/ �� ������ 4/N/ �����A�� :/�/

����A�� ����/ ���� / (( 1(===5 "*()/

>()? P/ ��� �/+/ �� ������ J/ ������� I/ N���� 2/9/ :�� � I/ ����� �

/ ���� I/�/ I�� 0� N/ ������� :/�/ ����A�� 8��� � )#* 1(==65

)(F/

>(6? P/ ��� �/+/ �� ������ J/ ������� I/ N���� 2/9/ :�� � I/ ����� �

3/ N� �-�� 4/N/ �����A�� N/ ������� :/�/ ����A�� ����/ ���� /

# 1(==65 ((F#/

""# *+)�+ ,��� �� � + - .������� %�������� %����������� /0���1 0023004