CN106587082A

CN106587082A - 一种发光二氧化硅纳米棒的制备方法

Info

Publication number: CN106587082A
Application number: CN201611153848.3A
Authority: CN
Inventors: 朱艳; 贺胤; 沈韬; 黎振华
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2017-04-26

Abstract

本发明公开了一种发光二氧化硅纳米棒的制备方法，属于纳米材料制备领域。本发明所述方法为，首先去除硅酸盐玻璃表面的灰尘及油污，将硅酸盐玻璃研磨成粉；然后将硅酸盐玻璃粉末置于水热反应釜中与氨水进行溶剂热反应；充分反应后，将反应液中沉淀物充分过滤、洗涤后烘干得到二氧化硅纳米棒。本发明所述制备二氧化硅纳米棒的方法原料成本低廉，制作工艺简单。

Description

一种发光二氧化硅纳米棒的制备方法

技术领域

本发明涉及一种发光二氧化硅纳米棒的制备方法，属于纳米材料制备领域。

背景技术

发光材料广泛地存在于人们生活之中，光致发光材料作为其中一员，广泛地应用于照明光源、等离子体显示、生物标签等领域。二氧化硅纳米棒由于非线性光学效应、宏观量子隧道效应、量子尺寸效应等特性，使其相比块体二氧化硅拥有了微孔多、比表面积大、表面羟基含量高、紫外线、可见光及红外线反射能力强等特点。其中，最为突出的是二氧化硅纳米棒在室温下拥有优异而稳定的蓝光发射特性。用二氧化硅纳米棒制成的多层干涉膜，衬在灯泡罩的内壁，在拥有高透光率的同时还具有很强的红外线反射能力。与传统使用的卤素灯相比，其使用寿命更长，发光的效率也更高。

专利CN 103224239 A公开了一种利用十六烷基三甲基溴化铵为模板、氨水为催化剂、正硅酸乙酯为原料，通过溶胶凝胶法制得手性介孔二氧化硅纳米棒的方法。专利CN101857237 A也以十六烷基三甲基溴化铵为模板、氨水为催化剂、乙醇为助溶剂、正硅酸乙酯为原料通过溶胶凝胶法得到了介孔二氧化硅纳米棒。类似的，专利CN 102674379 A也以十六烷基三甲基溴化铵为模板、正硅酸乙酯为原料、氨或N₂H₄作催化，使用微乳液法制得了中空二氧化硅纳米粒子。专利CN 102874820 A公开了一种蜂窝状二氧化硅纳米管的制备方法，使用季铵盐阳离子表面活性剂为主模板，三嵌段共聚物为助模板，通过溶胶凝胶法制得形貌可控的纳米管。以上方法全都需要表面活性剂作为模板（十六烷基三甲基溴化铵对人体有害），其中溶胶凝胶法制备的纳米棒还需550℃以上高温清除模板；微乳液法还需要在氩气保护下进行反应。另外，专利CN 101625973 A公开了一种利用磁控溅射及离子刻蚀技术在硅片上制备纳米棒阵列的方式，此方法制备的纳米棒形貌均匀，大小可控。但是制备过程需要真空环境，并且对设备要求过高。本专利公开了一种使用硅酸盐玻璃粉末为原料，利用氨水水热法制备二氧化硅纳米棒的方法，通过控制氨水浓度和反应时间调节纳米棒长度和直径。制备过程中不使用任何模板也不涉及真空环境，工艺简单，成本低廉。

发明内容

本发明公开一种以硅酸盐玻璃为原料制备发光二氧化硅纳米棒的方法，具体包括以下步骤：

（1）前处理：去除硅酸盐玻璃表面的灰尘及油污，将硅酸盐玻璃研磨成粉；

（2）将硅酸盐玻璃粉末置于水热反应釜中与氨水进行溶剂热反应；

（3）充分反应后，将反应液中沉淀物充分过滤、洗涤后烘干得到二氧化硅纳米棒。

优选的，本发明步骤（1）所述的硅酸盐玻璃的成分为：Si：74~76%，Na：16~17%，Ca:7~9%，Al：1~3%。

优选的，本发明步骤（2）中前处理过程为：依次使用99%丙酮和蒸馏水超声清洗玻璃，清除附着在硅酸盐玻璃表面的灰尘及油污。

优选的，本发明步骤（3）中，使用的氨水浓度为1.5-3.5mol/L，温度为170~200℃，反应时间为7-11h。

本发明的原理：

在水热条件下，硅酸盐玻璃的网络结构被氨水溶液中的水分子和OH^-打破，得到两种产物：纳米级的玻璃碎片和≡Si-OH，见反应方程式（1）、（2）：

≡Si-O-Si≡ + OH^- → ≡Si-OH + ≡SiO^- （1）

≡SiO^- + H₂O → ≡Si-OH + OH^- （2）

两种产物进入溶液后，纳米级玻璃碎片提供纳米线形成所需要的核；当生成的≡Si-OH达到一定浓度时，聚集在玻璃碎片附近的≡Si-OH发生脱水反应在玻璃碎片上生成二氧化硅，反应方程式（3）：

≡Si-OH + OH-Si≡ → ≡Si-O-Si≡ + H₂O （3）

而由于OH-的限制，沉积在玻璃碎片上的二氧化硅只能纵向生长（如图1）。随着反应的进行，不断产生的二氧化硅最终生长为二氧化硅纳米棒；由于玻璃碎片为非晶结构，且反应温度相对较低，生成的二氧化硅还来不及结晶就已成型，故而生长的纳米棒表现为非晶态，且存在大量氧空位。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述方法使用普通硅酸盐玻璃作为原料，成本低廉。

（2）本发明所述方法工艺简单，设备要求低等。

附图说明

图1为纳米棒生长原理图；

图2为实施例1制备得到的二氧化硅纳米棒的扫描电镜图；

图3为实施例2制备得到的二氧化硅纳米棒的扫描电镜谱；

图4为实施例2制备得到的二氧化硅纳米棒的光致发光谱；

图5为实施例3制备得到的二氧化硅纳米棒的扫描电镜图；

图6为实施例3制备得到的二氧化硅纳米棒的光致发光谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本实施例提供一种以硅酸盐玻璃为原料制备二氧化硅纳米棒的方法，具体包括以下步骤：

（1）前处理：依次使用99%的丙酮和蒸馏水超声清洗硅酸盐玻璃，各5分钟，去除硅酸盐玻璃（主要成分为Si：74%，Na：16%，Ca: 9%，Al：1%）表面的灰尘及油污；使用玛瑙研钵将硅酸盐玻璃研磨成粉。

（2）将硅酸盐玻璃粉末放入水热反应釜中与氨水反应，其中，氨水浓度为1.5mol/L，温度为200℃，腐蚀时间为7h。

（3）充分反应后，将沉淀离心，倒掉上清液后用蒸馏水洗涤，重复离心、洗涤5次，然后在70℃下烘干沉淀，此沉淀即二氧化硅纳米棒（如图2）。

由图2可见，所得纳米棒表面光滑，直径约在70nm-200nm之间，长度在300nm-1300nm之间。

实施例2

本实施例提供一种以二氧化硅粉末为原料制备二氧化硅纳米棒的方法，具体包括以下步骤：

（1）前处理：依次使用99%的丙酮和蒸馏水超声清洗玻璃，各5分钟，去除硅酸盐玻璃（主要成分为Si：76%，Na：16%，Ca:7%，Al：1%）表面的灰尘及油污，使用玛瑙研钵将硅酸盐玻璃研磨成粉。

（2）将二氧化硅粉末放入水热反应釜中与氨水反应，其中，氨水浓度为2.5mol/L，温度为180℃，腐蚀时间为9h。

（3）充分反应后，将沉淀离心，倒掉上清液后用蒸馏水洗涤，重复离心、洗涤5次，然后在70℃下烘干沉淀，此沉淀即二氧化硅纳米棒（如图3），其光致发光谱如图4所示。

由图3可见，纳米棒表面光滑，直径在140nm-200nm之间，长度在500nm-1700nm之间；纳米棒排列有一定取向，粗细长短更为均匀。

如图4可见，PL光谱在420nm处有明显的发射峰，表明所制备的纳米棒具有蓝光发射性能。

实施例3

本实施例提供一种二氧化硅粉末为原料以制备二氧化硅纳米棒的方法，具体包括以下步骤：

（1）前处理：依次使用99%的丙酮和蒸馏水超声清洗硅酸盐玻璃，各5分钟，去除硅酸盐玻璃（主要成分为Si：75%，Na：16%，Ca:7%，Al：2%）表面的灰尘及油污；使用玛瑙研钵将硅酸盐玻璃研磨成粉。

（1）将二氧化硅粉末放入水热反应釜中与氨水反应，其中，氨水浓度为3.5mol/L，温度为170℃，腐蚀时间为11h。

（2）充分反应后，将沉淀离心，倒掉上清液后用蒸馏水洗涤，重复离心、洗涤5次，然后在70℃下烘干沉淀，此沉淀即二氧化硅纳米棒（如图5），其光致发光谱如图6所示。

由图5可见，所得纳米棒表面光滑，直径约在120nm-250nm之间，长度在300nm-1700nm之间；纳米棒排列取向性明显。

由图6可见，PL光谱在410nm处有明显的发射峰，表明所制备的纳米棒具有蓝光发射性能。

Claims

1.一种发光二氧化硅纳米棒的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1发光二氧化硅纳米棒的制备方法，其特征在于：所述硅酸盐玻璃的成分为：Si：74~76%，Na：16~17%，Ca:7~9%，Al：1~3%。

3.根据权利要求1发光二氧化硅纳米棒的制备方法，其特征在于：所述前处理过程为：依次使用99%丙酮和蒸馏水超声清洗，清除附着在硅酸盐玻璃表面的灰尘及油污。

4.根据权利要求1发光二氧化硅纳米棒的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，氨水浓度为1.5-3.5mol/L，温度为170℃~200℃，反应时间为7-11h。