CN105000566B - 模板法合成多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模板法合成多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的方法，属于无机二氧化硅纳米材料的合成技术领域。本发明的技术方案要点为：模板法合成多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的方法，包括硬质模板碳球的合成多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的合成，为了使氟硅酸盐在碱性环境中缓慢水解，因而加入尿素溶液使其水解而得以缓慢释放OH‑离子得到碱性环境，尿素提供的弱碱性环境能够不破坏硬质模板碳球。本发明制得的具有多层壳及多级复合孔结构的二氧化硅纳米材料具有较大的比表面积，在生物质的储存与运输、重金属离子吸附及催化剂等方面具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无机二氧化硅纳米材料的合成技术领域，具体涉及一种模板法合成多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的方法。
背景技术
在世界科学技术高速发展的今天，材料已成为现代科学技术的三大支柱之一。在不断涌现的各种材料中，具有多层壳及多级复合孔结构的无机纳米材料已引起广大研究者的兴趣和关注。多层壳材料相比于传统的单层空壳材料和核壳材料而言，它具有更大的比表面积和降低传送质量和电荷的传输通道长度的优点，这样的优点使其在能量存储与利用、重金属离子吸附、生物质的传输及催化剂等领域具有广阔的应用前景。而多级复合孔材料与传统的单一孔材料（如微孔材料、介孔材料和大孔材料）相比而言，其通过至少两种孔径的孔结构相结合同时孔结构逐层分级而形成，其优良的结构特点使其具有较大的比表面积、较高的选择性和优异的吸附性能。而这些独特的性能使其在工业催化和污水处理等领域具有潜在的应用价值。因此，同时具有多层壳及多级复合孔结构的纳米材料受到了广大科学研究者的重视。然而，目前关于多层壳及多级复合孔无机纳米材料制备的报道比较少，而这种多层壳及多级复合孔结构的二氧化硅纳米材料的制备至今也是鲜有报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种比表面积大、选择性好且吸附性能优良的模板法合成多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，模板法合成多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）硬质模板碳球的合成，将3.6g真菌多糖溶于30mL的蒸馏水中并搅拌溶解15min形成澄清透明溶液，然后将该澄清透明溶液于180℃进行水热反应12h后自然冷却至室温得到硬质模板碳球，其中真菌多糖为香菇多糖、云芝多糖或银耳多糖；（2）多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的合成，将0.5-1.5mmol的氟硅酸盐加入到30mL的蒸馏水中并加热搅拌溶解，其中氟硅酸盐为氟硅酸钠、氟硅酸钾或氟硅酸钙，再加入80-120mg步骤（1）合成的硬质模板碳球，超声分散15min后于60-80℃的油浴中搅拌吸附8-15h，然后经过离心过滤后加入25mL尿素溶液并于120℃搅拌反应8-12h，产品离心洗涤多次后干燥，待样品干燥完全后以1℃/min的升温速率升温至450-550℃煅烧2-3h，然后自然冷却至室温后得到多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料。
进一步限定，所述的尿素溶液是由4-6mmol的尿素溶于25mL的蒸馏水中配置而成的。
进一步限定，所述的多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的多层壳的层数为2-3层。
进一步限定，所述的多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的多级复合孔是由粒径为2-3nm的颗粒堆积形成的。
本发明为了使氟硅酸盐在碱性环境下缓慢水解，因而加入尿素溶液使其水解而得以缓慢释放OH-离子得到碱性环境，尿素提供的弱碱性环境能够不破坏硬质模板碳球。
本发明具有以下有益效果：（1）反应物氟硅酸盐在碱性条件下缓慢水解，条件较为温和且环境友好；（2）反应成本低廉，操作简单；（3）产物的形貌在一定的程度上可通过反应条件进行控制；（4）制得的具有多层壳及多级复合孔结构的二氧化硅纳米材料具有较大的比表面积，在生物质的储存与运输、重金属离子吸附及催化剂等方面具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的三层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的TEM图谱；
图2是本发明实施例3制得的二层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的TEM图谱。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
首先，硬质模板碳球的合成：3.6g的香菇多糖溶于30mL的蒸馏水，搅拌溶解15min，将该澄清透明溶液转入50mL的聚四氟乙烯内衬中，之后放入反应釜中，进行水热反应（2.5℃/min升温至180℃并恒温12h，之后自然冷却至室温）。其次，二氧化硅纳米材料的合成：1.5mmoL的氟硅酸钾加入到30mL蒸馏水中并加热搅拌溶解，之后加入已合成的硬质模板碳球80mg，超声分散15min，60℃油浴下搅拌吸附15h。样品经过离心过滤后加入尿素溶液25mL(5mmoL的尿素溶于25mL蒸馏水)，之后置于反应釜中于120℃搅拌反应10h。样品离心洗涤多次后干燥，待样品干燥完全后以1℃/min的升温速率升温至500℃煅烧3h，然后自然冷却到室温得到三层壳及多级孔二氧化硅纳米材料，图1是本实施例合成的二氧化硅纳米材料的TEM图谱，由图可以明显看出二氧化硅纳米材料的三层壳结构。
实施例2
首先，硬质模板碳球的合成：3.6g的香菇多糖溶于30mL的蒸馏水，搅拌溶解15min，将该澄清透明溶液转入50mL的聚四氟乙烯内衬中，之后放入反应釜中，进行水热反应（2.5℃/min升温至180℃并恒温12h，之后自然冷却至室温）。其次，二氧化硅纳米材料的合成：0.5mmoL的氟硅酸钾加入到30mL蒸馏水中并加热搅拌溶解，之后加入已合成的硬质模板碳球80mg，超声分散15min，80℃油浴下搅拌吸附15h。样品经过离心过滤后加入尿素溶液25mL(5mmoL的尿素溶于25mL蒸馏水)，之后置于反应釜中于120℃搅拌反应10h。样品离心洗涤多次后干燥，待样品干燥完全后以1℃/min的升温速率升温至500℃煅烧3h，然后自然冷却到室温得到三层壳及多级孔二氧化硅纳米材料。
实施例3
首先，硬质模板碳球的合成：3.6g的云芝多糖溶于30mL的蒸馏水，搅拌溶解15min，将该澄清透明溶液转入50mL的聚四氟乙烯内衬中，之后放入反应釜中，进行水热反应（2.5℃/min升温至180℃并恒温12h，之后自然冷却至室温）。其次，二氧化硅纳米材料的合成：1mmoL的氟硅酸钠加入到30mL蒸馏水中并加热搅拌溶解，之后加入已合成的硬质模板碳球100mg，超声分散15min，70℃油浴下搅拌吸附10h。样品经过离心过滤后加入尿素溶液25mL(4mmoL的尿素溶于25mL蒸馏水)，之后置于反应釜中于120℃搅拌反应10h。样品离心洗涤多次后干燥，待样品干燥完全后以1℃/min的升温速率升温至550℃煅烧3h，之后自然冷却到室温得到两层壳及多级孔二氧化硅纳米材料，图2是本实施例合成的二氧化硅纳米材料的TEM图谱，由图可以明显看出二氧化硅纳米材料的两层壳结构。
实施例4
首先，硬质模板碳球的合成：3.6g的云芝多糖溶于30mL的蒸馏水，搅拌溶解15min，将该澄清透明溶液转入50mL的聚四氟乙烯内衬中，之后放入反应釜中，进行水热反应（2.5℃/min升温至180℃并恒温12h，之后自然冷却至室温）。其次，二氧化硅纳米材料的合成：0.5mmoL的氟硅酸钠加入到30mL蒸馏水中并加热搅拌溶解，之后加入已合成的硬质模板碳球100mg，超声分散15min，70℃油浴下搅拌吸附10h。样品经过离心过滤后加入尿素溶液25mL(6mmoL的尿素溶于25mL蒸馏水)，之后置于反应釜中于120℃搅拌反应12h。样品离心洗涤多次后干燥，待样品干燥完全后以1℃/min的升温速率升温至550℃煅烧2h，然后自然冷却到室温得到三层壳及多级孔二氧化硅纳米材料。
实施例5
首先，硬质模板碳球的合成：3.6g的银耳多糖溶于30mL的蒸馏水，搅拌溶解15min，将该澄清透明溶液转入50mL的聚四氟乙烯内衬中，之后放入反应釜中，进行水热反应（2.5℃/min升温至180℃并恒温12h，之后自然冷却至室温）。其次，二氧化硅纳米材料的合成：1.5mmoL的氟硅酸钙加入到30mL蒸馏水中并加热搅拌溶解，之后加入已合成的硬质模板碳球120mg，超声分散15min，80℃油浴下搅拌吸附8h。样品经过离心过滤后加入尿素溶液25mL(4mmoL的尿素溶于25mL蒸馏水)，之后置于反应釜中于120℃搅拌反应8h。样品离心洗涤多次后干燥，待样品干燥完全后以1℃/min的升温速率升温至450℃煅烧2h，然后自然冷却到室温得到两层壳及多级孔二氧化硅纳米材料。
实施例6
首先，硬质模板碳球的合成：3.6g的银耳多糖溶于30mL的蒸馏水，搅拌溶解15min，将该澄清透明溶液转入50mL的聚四氟乙烯内衬中，之后放入反应釜中，进行水热反应（2.5℃/min升温至180℃并恒温12h，之后自然冷却至室温）。其次，二氧化硅的纳米材料合成：1mmoL的氟硅酸钙加入到30mL蒸馏水中并加热搅拌溶解，之后加入已合成的硬质模板碳球120mg，超声分散15min，60℃油浴下搅拌吸附8h。样品经过离心过滤后加入尿素溶液25mL(6mmoL的尿素溶于25mL蒸馏水)，之后置于反应釜中于120℃搅拌反应8h。样品离心洗涤多次后干燥，待样品干燥完全后以1℃/min的升温速率升温至450℃煅烧3h，然后自然冷却到室温得到两层壳及多级孔二氧化硅纳米材料。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (3)
1.模板法合成多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）硬质模板碳球的合成，将3.6g真菌多糖溶于30mL的蒸馏水中并搅拌溶解15min形成澄清透明溶液，然后将该澄清透明溶液于180℃进行水热反应12h后自然冷却至室温得到硬质模板碳球，其中真菌多糖为香菇多糖、云芝多糖或银耳多糖；（2）多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的合成，将0.5-1.5mmol的氟硅酸盐加入到30mL的蒸馏水中并加热搅拌溶解，其中氟硅酸盐为氟硅酸钠、氟硅酸钾或氟硅酸钙，再加入80-120mg步骤（1）合成的硬质模板碳球，超声分散15min后于60-80℃的油浴中搅拌吸附8-15h，然后经过离心过滤后加入25mL尿素溶液并于120℃搅拌反应8-12h，产品离心洗涤多次后干燥，待样品干燥完全后以1℃/min的升温速率升温至450-550℃煅烧2-3h，然后自然冷却至室温后得到多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料，该多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的多级复合孔是由粒径为2-3nm的颗粒堆积形成的。
2.根据权利要求1所述的模板法合成多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的方法，其特征在于：所述的尿素溶液是由4-6mmol的尿素溶于25mL的蒸馏水中配置而成的。
3.根据权利要求1所述的模板法合成多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的方法，其特征在于：所述的多层壳及多级复合孔二氧化硅纳米材料的多层壳的层数为2-3层。
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