CN109364836A - 一种基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的制备方法,属于新型纳米材料技术领域。实验以小粒径二氧化硅微球为核,PMBA为中间层,随后将金纳米粒子稳定在PMBA层中,最后再在最外层包裹一层对温度敏感的PNIPAM层,即可得到具有温度响应性的纳米反应器。所得纳米反应器的尺寸大小在144~184nm可控,均匀性良好。该发明具有操作方法简单易行、单分散性良好、稳定性高、可回收利用等优点。本发明制得的纳米反应器可以作为催化剂应用在催化领域,而且在色谱柱分离、环境修复及生物检测等领域具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的制备方法,尤其是尺寸大小及形貌可控,属于新型纳米材料技术领域。
背景技术
金属纳米粒子由于其在光学、电子学、生物医学、药物释放等领域的广泛应用,引起了科学家们的广泛关注。尤其是金纳米粒子,由于其卓越的物理、化学及生物性能,被广泛应用在环境治理、催化、生物传感等领域。
然而,单独的金纳米粒子极易团聚,会对其优异的性能造成较大的影响,因而如何防止金纳米粒子聚集、保持金纳米粒子的稳定性是近年来研究的热点。将金纳米粒子包封在由金属、金属氧化物、二氧化硅或聚合物形成的保护壳内是阻止金纳米粒子聚集的一个有效的方法。如,Lu[Lu Y,Yin Y D,Li Z Y,Xia Y N.Nano Lett.,2002,2,785-788.]等人以SiO2为金纳米粒子的保护层,合成了一种以金纳米粒子为核,以SiO2为壳的核壳结构,有效的防止了金纳米粒子的聚集。但是,二氧化硅壳结构致密,外界反应分子很难透过致密的二氧化硅层与内部的金纳米粒子接触,极大的降低了金纳米粒子的利用效率。因此,找到一个合适的基体作为金纳米粒子的保护层具有重要的意义。
用环境敏感性的聚合物作为金纳米粒子的保护层是近年来研究的一个重要方向。一方面,聚合物壳具有很好的膨胀性和渗透性,外界分子能方便的透过聚合物壳层与内部金纳米粒子接触;另一方面,通过控制外界环境,能有效的控制外界分子进出壳层的速率,从而实现对反应的“智能”控制。Satapathy[Satapathy S S,Bhol P,Chakkarambath A,etal.Appl.Surf.Sci.,2017,420,753-763.]等人将不同形貌的金纳米粒子用PNIPAM包裹,合成了一系列温度响应型的PNIPAM-金属复合材料,并将其用作催化剂催化还原对硝基苯酚,能通过控制催化反应温度实现对催化速率的有效控制。然而,由于PNIPAM的相转变过程,金纳米粒子的稳定性会受到影响,因此,设计一个合适的结构既能保证金纳米粒子的稳定性,又能将PNIPAM的温敏性结合在一起具有重要的意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的制备方法。实验通过将金纳米粒子稳定在含有硅核的PMBA层上,随后通过简单的蒸馏沉淀聚合法在其表面包一层具有温敏性的PNIPAM层来制备具有温度敏感性、金纳米粒子稳定性较好,且尺寸大小可控的温度敏感性纳米反应器。其中硅核的存在增加了该反应器的比重,有利于通过离心回收、重复利用。PMBA层作为金纳米粒子的稳定基体,使其稳定性不受最外层壳的干扰。PNIPAM层的存在为反应器引入了温敏性,使其能通过仅控制外界环境温度实现对反应的“智能”控制。
(二)技术方案
本发明所采用的技术方案是:以小粒径的SiO2微球为核,以PMBA层为稳定层,通过原位还原法还原HAuCl4形成金纳米粒子使其稳定在PMBA层,而后经过简单的蒸馏沉淀聚合法在其表面包裹一层PNIPAM层,即可得到基于金纳米粒子的具有温度响应性的纳米反应器。反应器的尺寸大小与内部SiO2微球的大小、包裹的PMBA层及PNIPAM层的厚度有关,反应活性与金纳米粒子的负载量有关。所述方法简单新颖、易于实现,所制备的反应器的尺寸大小在144~184nm。
(三)有益效果
本发明所公布的基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的制备方法与现有方法相比,具有以下优异效果:
1.该纳米反应器具有良好的温度敏感性,能通过控制外界反应温度实现对反应速率的有效控制。
2.将金纳米粒子稳定在中间的PMBA层,能有效防止由于最外层PNIPAM层的相转变引起的金纳米粒子的团聚现象。
3.内部二氧化硅核的存在增加了该反应器的比重,有利于离心回收、重复利用。
4.合成的该纳米反应器能较好的应用在催化领域,实现对水中有毒有机污染物对硝基苯酚的催化还原,且能通过控制反应体系的温度,实现对催化速率的有效控制。
5.合成的纳米反应器尺寸大小可控,通过改变内部SiO2核心的大小,即可调节该纳米反应器的尺寸大小。
6.合成的该纳米反应器具有规则的球形形貌,大小均匀,分散性良好,且为纳米尺寸,在色谱分离、生物设备的制造等方面具有较多的潜在应用。
(四)具体反应过程
本发明提供的基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器,属于纳米级别,尺寸大小在144~184nm,单分散性及形貌较好。
本发明所述的基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的制备方法具体包括以下步骤:
1.利用法,以四乙氧基硅烷(TEOS)为硅源,通过改变氨水的用量制备粒径大小为70~110nm的分散性较好的SiO2微球,然后加入甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷(MPS)对SiO2微球表面进行改性,得到表面带有双键的SiO2微球。
2.以步骤1合成的表面带有双键的SiO2微球为模板,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,采用种子蒸馏沉淀聚合法进行聚合。在反应体系中,控制聚合反应在10~15min内开始沸腾,40~60min内蒸出17ml乙腈后结束反应。然后离心洗涤,即可得到具有核壳结构的SiO2@PMBA微球。PMBA层的厚度大约为18~22nm,包裹均匀,且没有出现PMBA的自聚球。
3.以步骤2得到的SiO2@PMBA微球为母球,乙腈为溶剂,硼氢化钠为还原剂,通过原位还原法还原HAuCl4,使其呈金纳米粒子小颗粒均匀分散在PMBA的凝胶层中,得到SiO2@PMBA@Au微球。
4.以步骤3得到的SiO2@PMBA@Au微球为模板,N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为功能性单体,MBA为交联剂,AIBN为引发剂,再次进行种子蒸馏沉淀聚合。在反应体系中,控制聚合反应在10~15min内开始沸腾,40~60min内蒸出14ml乙腈后结束反应。然后离心洗涤,即可得到具有温敏性的SiO2@PMBA@Au@PNIPAM反应器微球。PNIPAM层的厚度大约为15~20nm,均匀度良好。
所述的引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化二苯甲酰。
所述的反应溶剂为乙腈、乙酸乙酯、丁酮或它们的无水混合物。
所述的功能性单体为N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、N,N-二乙基丙烯酰胺(DEA)、乙烯基甲基醚(VME)或N,N-乙烯基己内酰胺(VCL)。
所述的引发剂用量为1~5wt%,相对于(总单体+交联剂)的质量。
步骤4中功能性单体用量为(总单体+交联剂)的50~80vol%。
步骤4中交联剂用量为(总单体+交联剂)的20~50vol%。
本发明可以通过改变内部SiO2微球的大小、PMBA层的厚度或PNIPAM层的厚度来控制该纳米反应器的大小。其中,所得的纳米反应器的尺寸大小为144~184nm。
所得纳米反应器大小均匀、单分散性良好。
所得纳米反应器内部金纳米粒子分散均匀,没有出现团聚现象,且稳定性较好,不会受最外层PNIPAM层相转变的影响。
附图说明
图为本发明实施例1得到的基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的TEM图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例,所述的实施例是用于描述本发明,而不是限制本发明。
实施例1
1.双键SiO2微球的制备
将50ml乙醇、1ml超纯水和1.8ml浓氨水加入到100ml圆底烧瓶中,在室温下剧烈搅拌20min,加入1.2ml TEOS,继续搅拌5h,再加入0.07ml MPS,继续搅拌19h,结束反应。用离心机以10000r/min离心数次,每次15min,直到pH=7停止,所得双键SiO2微球的粒径为70nm,分散在30ml乙腈中待用。
2.Si02@PMBA微球的制备
取5ml步骤1所得的双键硅球乙腈溶液到100ml圆底烧瓶中,加入35ml无水乙腈,封口超声均匀。取0.05g MBA到50ml烧杯中,加入40ml无水乙腈,封口超声均匀。将烧杯中的MBA乙腈溶液加入到上述烧瓶中,封口继续超声均匀。称取0.01g AIBN快速加入烧瓶中,加入磁子,放入装有分馏装置的磁力加热搅拌器中,磁力搅拌2min,开始加热,加热电压约为80V,控制15min内沸腾,继续加热至蒸出17ml乙腈后结束反应,自然冷却至室温。用离心机以6000r/min重复离心4次,每次15min,分散在30ml乙腈中待用,包裹PMBA层的厚度为19nm。
3.载金SiO2@PMBA@Au微球的制备
取15ml步骤2所得的SiO2@PMBA微球乙腈溶液加入到100ml圆底烧瓶中,加入60ml乙腈超声均匀。放入磁子,置于磁力搅拌器上,搅拌5min,继续加入0.024mol·L-1的氯金酸乙腈溶液0.7ml,磁力搅拌反应12h,再加入0.51mol·L-1的NaBH4溶液0.05ml,继续反应1h后结束反应。用无水乙腈离心洗涤4次,产物分散在30ml乙腈中待用。
4.SiO2@PMBA@Au@PNIPAM微球的制备
以步骤3得到的SiO2@PMBA@Au微球为模板,量取15ml加入100ml圆底烧瓶中,再加入25ml乙腈,封口超声均匀。称取0.05g MBA和0.05g NIPAM到干净的50ml烧杯中,加入40ml乙腈,封口超声均匀。将烧杯中的乙腈溶液加入到上述烧瓶中,封口继续超声均匀。称取0.01g AIBN快速加入烧瓶中,加入磁子,放入装有分馏装置的磁力加热搅拌器中,磁力搅拌2min,开始加热,加热电压约为80V,控制反应在15min内沸腾,继续加热至蒸出14ml乙腈后结束反应,自然冷却至室温。用离心机以6000r/min重复离心4次,每次15min,将所得产物置于真空烘箱中于常温下干燥至恒重,即可得到粒径大小为144nm的基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器。
实施例2
1.双键SiO2微球的制备
将50ml乙醇、1ml超纯水和2ml浓氨水加入到100ml圆底烧瓶中,在室温下剧烈搅拌20min,加入1.2ml TEOS,继续搅拌5h,再加入0.07ml MPS,继续搅拌19h,结束反应。用离心机以10000r/min离心数次,每次15min,直到pH=7停止,所得双键SiO2微球的粒径为90nm,分散在30ml乙腈中待用。
2.SiO2@PMBA微球的制备
取5ml步骤1所得的双键硅球乙腈溶液到100ml圆底烧瓶中,加入35ml无水乙腈,封口超声均匀。取0.05g MBA到50ml烧杯中,加入40ml无水乙腈,封口超声均匀。将烧杯中的MBA乙腈溶液加入到上述烧瓶中,封口继续超声均匀。称取0.01g AIBN快速加入烧瓶中,加入磁子,放入装有分馏装置的磁力加热搅拌器中,磁力搅拌2min,开始加热,加热电压约为80V,控制15min内沸腾,继续加热至蒸出17ml乙腈后结束反应,自然冷却至室温。用离心机以6000r/min重复离心4次,每次15min,分散在30ml乙腈中待用,包裹PMBA层的厚度为19nm。
3.载金SiO2@PMBA@Au微球的制备
取15ml步骤2所得的SiO2@PMBA微球乙腈溶液加入到100ml圆底烧瓶中,加入60ml乙腈超声均匀。放入磁子,置于磁力搅拌器上,搅拌5min,继续加入0.024mol·L-1的氯金酸乙腈溶液0.7ml,磁力搅拌反应12h,再加入0.51mol·L-1的NaBH4溶液0.05ml,继续反应1h后结束反应。用无水乙腈离心洗涤4次,产物分散在30ml乙腈中待用。
4.SiO2@PMBA@Au@PNIPAM微球的制备
以步骤3得到的SiO2@PMBA@Au微球为模板,量取15ml加入100ml圆底烧瓶中,再加入25ml乙腈,封口超声均匀。称取0.05g MBA和0.05gNIPAM到干净的50ml烧杯中,加入40ml乙腈,封口超声均匀。将烧杯中的乙腈溶液加入到上述烧瓶中,封口继续超声均匀。称取0.01g AIBN快速加入烧瓶中,加入磁子,放入装有分馏装置的磁力加热搅拌器中,磁力搅拌2min,开始加热,加热电压约为80V,控制反应在15min内沸腾,继续加热至蒸出14ml乙腈后结束反应,自然冷却至室温。用离心机以6000r/min重复离心4次,每次15min,将所得产物置于真空烘箱中于常温下干燥至恒重,即可得到粒径大小为164nm的基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器。
实施例3
1.双键SiO2微球的制备
将50ml乙醇、1ml超纯水和2.2ml浓氨水加入到100ml圆底烧瓶中,在室温下剧烈搅拌20min,加入1.2ml TEOS,继续搅拌5h,再加入0.07ml MPS,继续搅拌19h,结束反应。用离心机以10000r/min离心数次,每次15min,直到pH=7停止,所得双键SiO2微球的粒径为110nm,分散在30ml乙腈中待用。
2.SiO2@PMBA微球的制备
取5ml步骤1所得的双键硅球乙腈溶液到100ml圆底烧瓶中,加入35ml无水乙腈,封口超声均匀。取0.05g MBA到50ml烧杯中,加入40ml无水乙腈,封口超声均匀。将烧杯中的MBA乙腈溶液加入到上述烧瓶中,封口继续超声均匀。称取0.01g AIBN快速加入烧瓶中,加入磁子,放入装有分馏装置的磁力加热搅拌器中,磁力搅拌2min,开始加热,加热电压约为80V,控制15min内沸腾,继续加热至蒸出17ml乙腈后结束反应,自然冷却至室温。用离心机以6000r/min重复离心4次,每次15min,分散在30ml乙腈中待用,包裹PMBA层的厚度为19nm。
3.载金SiO2@PMBA@Au微球的制备
取15ml步骤2所得的SiO2@PMBA微球乙腈溶液加入到100ml圆底烧瓶中,加入60ml乙腈超声均匀。放入磁子,置于磁力搅拌器上,搅拌5min,继续加入0.024mol·L-1的氯金酸乙腈溶液0.7ml,磁力搅拌反应12h,再加入0.51mol·L-1的NaBH4溶液0.05ml,继续反应1h后结束反应。用无水乙腈离心洗涤4次,产物分散在30ml乙腈中待用。
4.SiO2@PMBA@Au@PNIPAM微球的制备
以步骤3得到的SiO2@PMBA@Au微球为模板,量取15ml加入100ml圆底烧瓶中,再加入25ml乙腈,封口超声均匀。称取0.05g MBA和0.05gNIPAM到干净的50ml烧杯中,加入40ml乙腈,封口超声均匀。将烧杯中的乙腈溶液加入到上述烧瓶中,封口继续超声均匀。称取0.01g AIBN快速加入烧瓶中,加入磁子,放入装有分馏装置的磁力加热搅拌器中,磁力搅拌2min,开始加热,加热电压约为80V,控制反应在15min内沸腾,继续加热至蒸出14ml乙腈后结束反应,自然冷却至室温。用离心机以6000r/min重复离心4次,每次15min,将所得产物置于真空烘箱中于常温下干燥至恒重,即可得到粒径大小为184nm的基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器。
Claims (5)
1.一种基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的制备方法,其中所述纳米反应器的尺寸大小为144~184nm可控,均匀度及单分散性良好,所述方法包括以下步骤:
1)利用法,以四乙氧基硅烷(TEOS)为硅源,通过改变氨水的用量制备粒径大小为70~110nm的分散性较好的SiO2微球,然后加入甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷(MPS)对SiO2微球表面进行改性,得到表面带有双键的SiO2微球;
2)以步骤1)合成的表面带有双键的SiO2微球为模板,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,采用种子蒸馏沉淀聚合法进行聚合,在反应体系中,控制聚合反应在10~15min内开始沸腾,40~60min内蒸出17ml乙腈后结束反应,然后离心洗涤,即可得到具有核壳结构的SiO2@PMBA微球;
3)以步骤2)得到的SiO2@PMBA微球为母球,乙腈为溶剂,硼氢化钠为还原剂,通过原位还原法还原HAuCl4,使其呈金纳米粒子小颗粒均匀分散在PMBA的凝胶层中,得到SiO2@PMBA@Au微球;
4)以步骤3)得到的SiO2@PMBA@Au微球为模板,N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为功能性单体,MBA为交联剂,AIBN为引发剂,再次进行种子蒸馏沉淀聚合,在反应体系中,控制聚合反应在10~15min内开始沸腾,40~60min内蒸出14ml乙腈后结束反应,然后离心洗涤,即可得到具有温敏性的SiO2@PMBA@Au@PNIPAM反应器微球。
2.根据权利要求1所述的一种基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的制备方法,其特征在于所述的引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化二苯甲酰,其用量为1~5wt%,相对于(总单体+交联剂)的质量。
3.根据权利要求1所述的一种基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的制备方法,其特征在于所述的反应溶剂为乙腈、乙酸乙酯、丁酮或它们的无水混合物。
4.根据权利要求1所述的一种基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的制备方法,其特征在于所述的功能性单体为N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、N,N-二乙基丙烯酰胺(DEA)、乙烯基甲基醚(VME)或N,N-乙烯基己内酰胺(VCL),其用量为(总单体+交联剂)的50~80vol%。
5.根据权利要求1所述的一种基于金纳米粒子的温度敏感性纳米反应器的制备方法,其特征在于所述的交联剂用量为(总单体+交联剂)的20~50vol%。
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