Strukturalne właściwości heksagonalnie uporządkowanych mezoporowatych materiałów krzemionkowych otrzymywanych przy użyciu kationowych surfaktantów

Wykorzystując program komputerowy HyperChem modelowano cząsteczki kationowych surfaktantów, bromków alkilotrimetyloamoniowych (o liczbie atomów węgla w łańcuchu alkilowym od 8 do 18) i alkilotrietyloamoniowych (od 20 do 22). Na podstawie modelowych struktur surfaktantów określono wymiary micel, stanowiących wzorce dla porów uporządkowanych mezoporowatych materiałów krzemionkowych MCM-41. W celach porównawczych wykorzystano dane literaturowe dotyczące strukturalnej i adsorpcyjnej charakterystyki materiałów MCM-41 do wyznaczenia wymiarów porów na podstawie równania wiążącego adsorpcyjną objętość uporządkowanych porów i parametr struktury uzyskany metodą rozpraszania promieniowania rentgenowskiego. Ponadto wymiar porów oszacowano na podstawie funkcji rozkładu objętości porów wyznaczonej metodą Barretta, Joynera i Halendy (BJH) zmodyfikowaną przez Kruka, Jarońca i Sayari (KJS). Następnie sporządzono zależności wymiarów porów uzyskanych tymi trzema metodami od ilości atomów węgla w łańcuchu hydrofobowym surfaktantu i porównano je pod kątem ich przydatności do przewidywania wymiaru porów na podstawie długości łańcucha alkilowego w cząsteczce surfaktantu. Okazuje się, że zależność uzyskana dla wielkości porów przewidzianej na podstawie wielkości micel różni się od doświadczalnych zależności, ponieważ modelowanie micel nie uwzględnia efektu kurczenia się struktury krzemionki w procesie kalcynacji materiałów MCM-41 oraz zmian w konformacji łańcuchów hydrofobowych w micelach. W świetle tych ograniczeń, doświadczalna zależność wymiaru porów od ilości atomów węgla w łańcuchu surfaktantu wydaje się najbardziej przydatna do wyboru odpowiedniego surfaktanta do syntezy materiałów o określonej wielkości porów.

---

The HyperChem computer software was utilized to model molecules of cationic surfactants, alkyltrimethylammonium bromides (with number of carbon atoms in the hydrophobic chain from 8 to 18) and alkyltriethylammonium bromides (with number of carbon atoms in the hydrophobic chain from 20 to 22). These modeled surfactant structures were used to determine the size of micelles, which were templates for ordered mesoporous siliceous materials MCM-41. For comparative purposes the literature data reporting the structural and adsorption characteristics of MCM-41 materials were used to determine the pore size by means of equation associating the adsorption volume of ordered pores with the structure parameter obtained from powder X-ray diffraction. Also, the pore size was estimated by using the Barrett, Joyner and Halenda (BJH) method modified by Kruk, Jaroniec and Sayari (KJS). Next, the relationships between the pore size evaluated by means of the three aforementioned methods and the number of carbon atoms in the hydrophobic chain of the surfactant were made and compared from the viewpoint of using them for predicting the pore size on the basis of the surfactant chain length. It is shown that the relationship for the pore size estimated on the basis of the micelle size differs from that obtained experimentally because the computer modeling of micelles does not take into account the shrinkage of silica structure during calcination of MCM-41 materials and the change in conformation of hydrophobic chains in micelles. In the light of these limitations, the experimental dependence of the pore size on the number of carbon atoms in the surfactant chain seems to be the most useful for selection of proper surfactant for the synthesis of materials of desired pore size.