CN102641666A - 多孔纳米硅离子分离薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多孔纳米硅离子分离薄膜及其制备方法。所述多孔纳米硅离子分离薄膜是以纳米硅为基本骨架的棉絮状微结构的多孔薄膜，其表面和体内有平均直径在1-1000纳米之间的永久孔洞；在纳米硅基本骨架的表面有许多亲水性活性基团如硅氧键、硅氢键等。本发明多孔纳米硅离子分离薄膜的制备方法简单，操作容易，使之能够直接将半径小于200皮米的亲水性离子和分子从溶液中分离出来，同时将半径大于200皮米的亲水性离子和分子、所有憎水性分子排出在薄膜之外。多孔纳米硅离子分离薄膜有很大的亲水性表面积，半径较小的亲水性离子和分子容易迁移扩散，富集速度快，适用于将半径较小的有机无机亲水性离子与半径较大的大分子物质的分离。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种多孔纳米硅离子分离薄膜及其制备方法，属于微量离子分离技术领域。
二、背景技术
从溶液中将特定离子分离出来，主要用的是离子交换分离法。离子交换分离法是利用离子交换剂与溶液中的离子之间所发生的交换反应进行分离的方法，它是一种固液分离法，其特点是分离效率高，适用于带电荷的离子之间的分离，还可用于带电荷与中性物质的分离制备等，缺点是离子交换剂的制备难度大，要求非常专业，利用离子交换分离法的操作比较麻烦而且周期长，一般只用它解决某些比较复杂的分离问题。为了克服上述缺点，本发明提供一种多孔纳米硅离子分离薄膜及其制备方法，制备方法简单，操作容易，使之能够直接将半径小于200皮米的亲水性离子和分子从溶液中分离出来，耗时少，适用于微量组分的富集和高纯物质的制备。
三、发明内容
本发明提供一种多孔纳米硅离子分离薄膜及其制备方法，使之能够直接将半径小于200皮米的亲水性离子和分子从溶液中分离出来，同时将半径大于200皮米的亲水性离子和分子、所有憎水性分子排出在薄膜之外。
本发明多孔纳米硅离子分离薄膜，其特征在于：所述多孔纳米硅离子分离薄膜是以纳米硅为基本骨架的棉絮状结构的多孔薄膜，其表面和体内有平均直径在1-1000纳米之间的永久孔洞；在纳米硅为基本骨架的表面有许多亲水性活性基团如硅氧键、硅氢键等。
本发明多孔纳米硅离子分离薄膜的制备方法，其具体步骤如下：选择单面或双面抛光的硅片作为衬底材料，清洗干净；将上述硅衬底材料放入含氢氟酸的电解液里进行电化学腐蚀，形成多孔纳米硅薄膜；将上述多孔纳米硅薄膜放在含氧的环境里进行氧化反应，形成为二氧化硅薄膜包覆的多孔纳米硅薄膜。
本发明多孔纳米硅离子分离薄膜，其特征在于：所述多孔纳米硅离子分离薄膜的硅骨架表面覆盖有二氧化硅薄膜，该二氧化硅薄膜的厚度在0.02-2纳米之间；所述多孔纳米硅离子分离薄膜不易与氢氟酸和氢氧化钠以外的酸、碱、有机溶剂发生反应。
本发明多孔纳米硅离子分离薄膜，其特征在于：所述多孔纳米硅离子分离薄膜具有离子选择性分离能力；能够让半径小于200皮米的亲水性离子和分子通过所述的多孔纳米硅离子分离薄膜；不能够让半径大200皮米的亲水性离子和分子通过所述的多孔纳米硅离子分离薄膜；不能够让憎水性离子和分子通过所述的多孔纳米硅离子分离薄膜。
本发明多孔纳米硅离子分离薄膜中所述的亲水性离子和分子，其特征在于：所述的亲水性离子和分子包括氢、锂、钠、钾、锌、氢氧根等所有种类亲水性离子和水分子、乙醇分子等所有种类的亲水性分子；所述亲水性离子和分子的半径不超过200皮米。
本发明多孔纳米硅离子分离薄膜中所述的含氧的环境，其特征在于：氧化气氛里含有氧气分子；氧化温度在零下20摄氏度至1200摄氏度之间；氧化时间在0.1秒至360天之间。
四、附图说明
图1是本发明制备的多孔纳米硅离子分离薄膜的电子扫描显微镜图片。
图2是本发明制备的多孔纳米硅离子分离薄膜经含有锌离子溶液旋涂后的SEM图片。
图3是本发明制备的多孔纳米硅离子分离薄膜经含有锌离子溶液旋涂后的X射线衍射谱。
图4是本发明制备的多孔纳米硅离子分离薄膜在去掉顶层薄膜后的SEM图片。
图5是本发明制备的多孔纳米硅离子分离薄膜在去掉顶层薄膜后的X射线衍射谱。
五、具体实施方式
本实施方式中以p型硅为原料制备多孔纳米硅离子分离薄膜，并用之将锌离子、氢氧根离子和乙醇分子从醋酸锌、乙醇和三乙醇胺组成的无色透明液体中分离出来。其中，三乙醇胺分子的半径约为375皮米，锌离子的半径约为74皮米，氢氧根的离子半径为137皮米。
选择单面抛光的p型硅片作为衬底材料，清洗干净之后，放在由浓度为40％的氢氟酸和浓度为95％的乙醇按1∶1等体积比配制成的电解液中，流密度为3毫安每平方厘米，通电60分钟，取出清洗干燥，经氧化后获得多孔纳米硅薄膜，图1为其电子扫描显微镜图片，结果表明多孔纳米硅薄膜具有以纳米硅为基本骨架的棉絮状结构的多孔薄膜。
用300mg醋酸锌、10毫升乙醇和0.3mg三乙醇胺制成的无色透明液体之后，取5滴所配制的无色透明液体旋涂于多孔纳米硅薄膜之上，加热至250摄氏度，用电子扫描显微镜观察其表面形貌，图2是本发明制备的多孔纳米硅离子分离薄膜经醋酸锌溶液旋涂后的电子扫描显微镜图片，结果表明多孔纳米硅薄膜的棉絮层状结构之上留有一层顶层薄膜；图3是图2中薄膜的X射线衍射谱，结果表明多孔纳米硅薄膜上留存的顶层薄膜为非晶性质，即半径较大的三乙醇胺分子材料。在该顶层薄膜去掉之后，剩下的就是多孔纳米硅薄膜；图4是本发明制备的多孔纳米硅离子分离薄膜在去掉顶层薄膜后的SEM图片，而图5是本发明制备的多孔纳米硅离子分离薄膜在去掉顶层薄膜后的X射线衍射谱，这些结果表明棉絮状微结构里填满了由半径较小的锌离子和氢氧根离子经加热而合成的氧化锌纳米颗粒。
多孔纳米硅离子分离薄膜有大的亲水性表面积，亲水性离子和分子容易迁移扩散，富集速度快，适用于有机无机亲水性离子与大分子物质的分离。
Claims (6)
1.一种多孔纳米硅离子分离薄膜，其特征在于：所述多孔纳米硅离子分离薄膜是以纳米硅为基本骨架的棉絮状结构的多孔薄膜，其表面和体内有平均直径在1-1000纳米之间的永久孔洞；在纳米硅为基本骨架的表面有许多亲水性活性基团如硅氧键、硅氢键等。
2.如权利要求1所述的多孔纳米硅离子分离薄膜的制备方法，其具体步骤如下：
1)选择单面或双面抛光的硅片作为衬底材料，清洗干净；
2)将上述硅衬底材料放入含氢氟酸的电解液里进行电化学腐蚀，形成多孔纳米硅薄膜；
3)将上述多孔纳米硅薄膜放在含氧的环境里进行氧化反应，形成为二氧化硅薄膜包覆的多孔纳米硅薄膜。
3.如权利要求1或2所述的多孔纳米硅离子分离薄膜，其特征在于：所述多孔纳米硅离子分离薄膜的硅骨架表面覆盖有二氧化硅薄膜，该二氧化硅薄膜的厚度在0.02-2纳米之间；所述多孔纳米硅离子分离薄膜不易与氢氟酸和氢氧化钠以外的酸、碱、有机溶剂发生反应。
4.如权利要求1-3所述的多孔纳米硅离子分离薄膜，其特征在于：所述多孔纳米硅离子分离薄膜具有离子选择性分离能力；能够让半径小于200皮米的亲水性离子和分子通过所述的多孔纳米硅离子分离薄膜；不能够让半径大200皮米的亲水性离子和分子通过所述的多孔纳米硅离子分离薄膜；不能够让憎水性离子和分子通过所述的多孔纳米硅离子分离薄膜。
5.如权利要求4所述的亲水性离子和分子，其特征在于：所述的亲水性离子和分子包括氢、锂、钠、钾、锌、氢氧根等所有种类亲水性离子和水分子、乙醇分子等所有种类的亲水性分子；所述亲水性离子和分子的半径不超过200皮米。
6.根据权利要求2所述的含氧的环境，其特征在于：氧化气氛里含有氧气分子；氧化温度在零下20摄氏度至1200摄氏度之间；氧化时间在0.1秒至360天之间。
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