CN102060300B - 高分散、高比表面积、大孔容SiO2空心球的合成方法 - Google Patents

高分散、高比表面积、大孔容SiO2空心球的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高分散、高比表面积、大孔容孔SiO2空心球的合成方法。首先通过溶胶-凝胶法加表面活性剂导向法合成出高度分散、粒径均一的实心核/介孔壳SiO2纳米球,再通过简单的碱性溶液中水热后处理方法除去SiO2纳米球中的实心核而保持外壳介孔层完整,得到介孔SiO2空心球。本发明制得的介孔SiO2空心球具有高度的分散性、高的比表面积、大的孔容、均一的孔径分布和可调的空腔大小。结果显示经过碱后处理的介孔SiO2空心球的比表面积高达320m2/g,孔容高达0.66cm3/g,在药物的传输、催化、微反应器、吸附、分离、色谱等领域具有广泛的应用前景。

Description

高分散、高比表面积、大孔容SiO2空心球的合成方法
技术领域
本发明属于微孔/介孔分子筛材料技术领域,涉及一种高分散、高比表面积、大孔容孔SiO2空心球的合成方法。
背景技术
自从1992年MCM-41型介孔SiO2分子筛被Mobil公司的科学家合成出以来(Nature 1992,359,(6397),710-712.),介孔SiO2材料由于具有高的比表面积、大的孔容、均一的孔道结构,在化工催化、医药、纳米生物技术等领域显示出广阔的应用前景。2001年研究人员发现MCM-41型介孔SiO2具有高效的药物存储和缓释性能(Chem.Mat.2001,13,(2),308-311)。后续研究进一步发现介孔SiO2具有良好的生物相容性。因此介孔SiO2是良好的药物载体,并在重大疾病的早期诊断和治疗中发挥出独特的优势(Adv.Funct.Mater.2007,17,(8),1225-1236)。在各种形貌的介孔SiO2中,高度分散、粒径可控的介孔SiO2空心球无疑是最有实用价值的药物载体。它具有以下优点:(1)介孔壳层具有高的比表面积,大的孔容和均一的孔径分布;(2)大的空心部分具有高的物质担载量,可以担载药物、DNA、各种催化剂等;(3)易于改性的表面硅羟基容易整合其它的功能无机纳米粒子或者有机分子,从而得到多功能的杂化复合物。
传统的合成介孔SiO2空心球的方法包括各种软/硬模板法,如PS球、Fe3O4纳米粒子、微乳液、表面活性剂等被用来作为空心部分的模板(J.Mater.Chem.2008,18,(23),2733-2738;Microporous Mesoporous Mat.2008,112,(1-3),147-152.)。合成工艺包括在各种软/硬模板上沉积上介孔SiO2壳层后,通过煅烧、萃取等方法除去模板,得到介孔SiO2空心球。然而,上述这些方法步骤繁琐、合成条件苛刻、煅烧除去有机模板时(如PS球等)会产生大量的有害气体、且得到的空心球团聚现象严重,这极大地限制了介孔SiO2空心球的应用。特别是作为载体用于药物的传输,团聚现象是必须要克服的缺点。据报道团聚后的纳米粒子极容易被人体的物理屏障堵塞,从而不能把药物传输到靶向部位。此外,制约介孔二氧化硅空心球应用的关键因素之一是缺乏一种工艺简单、低成本、无环境污染、可批量生产的新技术。鉴于以上介孔SiO2空心球存在的缺点与制备工艺的急需改进,本发明采用简单的水热法后处理得到了高度分散、粒径可控、高比表面、大孔容、均一的孔径分布的介孔SiO2空心球。本发明合成工艺简单易行、无任何污染、产量高、仅需要简单的水热反应即可实现空心结构的构筑、成本低、效率高、易工业化生产,具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备高度分散、粒径可控、高比表面积、大孔容、均一孔径分布的介孔SiO2空心球的方法,以解决现有技术中存在的步骤繁琐、条件苛刻、团聚现象严重、易产生环境污染等问题。本发明的制备工艺简单易行、无污染、产量高、成本低、效率高、得到的介孔SiO2空心球分散性好、比表面积高、孔容大、孔径分布均一可调,有利于药物以及催化剂在其中的高效担载,是极具应用前景的药物和催化剂载体之一。
本发明提供的一种简单的、环境友好的方法合成出具有高度的分散性、高的比表面积、大的孔容、可控的粒径以及均一的孔径分布的介孔SiO2空心球,工艺过程表述如下:
(1)实心核/介孔壳SiO2纳米球的合成:一定量的无水乙醇,去离子水和氨水混合,在20-40℃的条件下搅拌一段时间后;快速加入一定量的正硅酸乙酯,磁性搅拌一定的时间;将一定量的正硅酸乙酯和十八烷基三甲氧基硅烷均匀混合后,迅速加入上述溶液,磁性搅拌一段时间,产物离心后待用。
(2)碱性溶液中水热处理合成介孔SiO2空心球:将(1)中得到的产物均匀分散于一定量的水中,加入一定量的碱(如一定浓度的氨水溶液,Na2CO3溶液,NaOH溶液,尿素溶液,NaHCO3溶液,NaH2PO4溶液,Na2HPO4溶液,KH2PO4溶液,K2HPO4溶液,Na3PO4溶液,K3PO4溶液)或者酸(HF酸溶液)后,转移到水热釜中,在一定的温度下水热反应一定的时间。产物出釜后,离心,用去离子水洗涤,产物干燥后在一定温度下煅烧除去表面活性剂;
本发明首先通过简单溶胶-凝胶法加表面活性剂导向法合成出粒径在50nm-500nm可调、高度分散的实心核/介孔壳SiO2纳米球(壳层厚度以及内核大小可调),接着通过一定浓度碱性溶液中水热后处理方法巧妙地去除SiO2纳米球中的实心核,即通过自身的特殊结构产生空腔,我们把这种方法称之为自模板法。实验结果显示实心核/介孔壳SiO2纳米球经过一定浓度的氨水水热处理一段时间后,不仅产生了空心结构,而且孔容扩大了2.2倍以上,孔径扩大了0.7nm以上,比表面积增加100m2/g以上。这种高比表面积、大孔容介孔SiO2空心球具有高的药物以及催化剂存储、担载量,而且具有高度的分散性,在药物传输和化工催化等领域显示出广阔的应用前景。
附图说明
图1是实心核/介孔壳SiO2纳米球的TEM图,直观地显示出规整的球形形貌、均一的粒径和高度的分散性。其中壳层具有介孔结构,内核无孔是实心结构。
图2是实施例1中150℃,0.12mol/L氨水中水热24h后得到的样品的透射电镜图,直观地显示出空腔结构和高度的分散性。说明通过在氨水的溶液中水热可以得到空腔结构。
图3是实施例1中150℃,0.12mol/L氨水中水热24h后得到的样品的扫描电镜图,直观地显示规整的球形形貌和高度的分散性。
图4是实施例1中150℃,0.12mol/L氨水中水热24h后得到的样品的N2吸附-脱附等温曲线,表明材料具有高的比表面积和孔容,大的滞后环表明材料具有大的空腔结构和墨水瓶形孔道结构。
图5是对比例2中150℃,0.24mol/L氨水中水热24h后得到的样品的透射电镜图,直观地显示出介孔SiO2的空心结构。说明随着氨水浓度的增大,空腔部分逐渐变大,直至内核全部消失得到介孔SiO2空心球。
图6是制备本发明的介孔SiO2空心球的后处理方式的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例进一步说明本发明。
实施例1
71.4mL无水乙醇,10mL去离子水和3.14mL的氨水混合,在30℃的条件下搅拌30min;快速加入6mL正硅酸乙酯,磁性搅拌1h;将5mL正硅酸乙酯和2mL十八烷基三甲氧基硅烷均匀混合后,迅速加入上述溶液,磁性搅拌1h,产物离心后得到高度分散的实心核/介孔壳SiO2纳米球。离心后的产物分散在0.12mol/L的氨水溶液中并在150℃水热24h。产物离心后用去离子水洗涤3次,100℃干燥6h后在550℃条件下煅烧6h除去表面活性剂。
对比例1
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在0.05mol/L的氨水溶液中并在150℃水热24h。后续处理如实施例1。
对比例2
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在0.24mol/L的氨水溶液中并在150℃水热24h。后续处理如实施例1。
对比例3
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在0.33mol/L的氨水溶液中并在150℃水热24h。后续处理如实施例1。
对比例4
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在0.43mol/L的氨水溶液中并在150℃水热24h。后续处理如实施例1。
实施例2
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在0.12mol/L的氨水溶液中并在180℃水热24h。后续处理如实施例1。
对比例5
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在0.12mol/L的氨水溶液中并在180℃水热72h。后续处理如实施例1。
实施例3
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在0.05mol/L的氨水溶液中并在150℃水热72h。后续处理如实施例1。
对比例6
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在0.05mol/L的氨水溶液中并在150℃水热144h。后续处理如实施例1。
对比例7
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在0.12mol/L的氨水溶液中并在150℃水热72h。后续处理如实施例1。
对比例8
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在0.12mol/L的氨水溶液中并在150℃水热144h。后续处理如实施例1。
实施例4
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在水溶液中并在150℃水热24h。后续处理如实施例1。
对比例9
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在水溶液中并在150℃水热72h。后续处理如实施例1。
对比例10
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在水溶液中并在180℃水热24h。后续处理如实施例1。
对比例11
按照实施例1的合成工艺先得到实心核/介孔壳SiO2纳米球。产物离心后分散在水溶液中并在180℃水热72h。后续处理如实施例1。
根据N2吸附-脱附等温曲线数据,孔容和比表面积分别按照Barrett-Joyner-Halenda(BJH)和Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法计算,介孔孔径分布按照Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法计算。
表1
  实施例或对比例   水热时间(h)   水热温度(℃)   氨水浓度(mol/L)   比表面积(m2/g)   孔容(cm3/g)   孔径(nm)
  实施例1   24   150   0.12   320   0.66   3.2
  对比例1   24   150   0.05   264   0.40   2.8
  对比例2   24   150   0.24   282   0.44   3.4
  对比例3   24   150   0.33   219   0.46   3.3
  对比例4   24   150   0.43   226   0.51   3.3
  实施例2   24   180   0.12   190   0.29   3.1
  对比例5   72   180   0.12   190   0.30   3.1
  实施例3   72   150   0.05   177   0.30   3.2
  对比例6   144   150   0.05   182   0.25   2.9
  对比例7   72   150   0.12   205   0.31   2.8
  对比例8   144   150   0.12   226   0.30   2.6
  实施例4   24   150   0   454   0.53   2.5&3.6
  对比例9   72   150   0   267   0.34   2.8&3.6
  对比例10   24   180   0   276   0.33   2.6&3.6
  对比例11   72   180   0   339   0.33   2.6&3.8

Claims (3)

1.高分散、高比表面积、大孔容SiO2空心球的合成方法,包括以下步骤:
(1)无水乙醇,去离子水和氨水混合,在20-40℃的条件下搅拌后快速加正硅酸乙酯,磁性搅拌后;将正硅酸乙酯和十八烷基三甲氧基硅烷均匀混合后,迅速加入上述溶液,磁性搅拌一段时间,产物离心后待用,
(2)将步骤(1)中得到的产物均匀分散于水中,加入碱后,转移到水热釜中,水热反应后煅烧除去表面活性剂,所述的碱为氨水溶液。
2.按照权利要求1所述的高分散、高比表面积、大孔容SiO2空心球的合成方法,其特征在于,所述水热的温度为60-200℃,水热时间为2-144h。
3.按照权利要求2所述的高分散、高比表面积、大孔容SiO2空心球的合成方法,其特征在于,所述氨水溶液的浓度0.01-2.0mol/L。
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