CN110075770B - 磁性有序介孔碳基或高分子基核壳结构微球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于先进纳米材料技术领域,具体为磁性有序介孔碳基或高分子基核壳结构复合微球及其制备方法。本发明以磁性纳米颗粒为种子,通过溶胶‑凝胶法在磁性纳米颗粒表面包覆致密二氧化硅保护层;采用界面共组装技术,使用大分子量嵌段共聚物作为模板剂,在二氧化硅表面沉积有序介观结构的大分子表面活性剂/高分子层复合材料;最后,通过在氮气中煅烧碳化得到表面强疏水性的磁性介孔碳基复合微球,或通过溶剂萃取法脱除大分子表面模板剂,获得表面功能化的磁性介孔聚合物基复合微球。本发明复合微球具有强的磁响应性、较大的有序介孔孔道、规则有序的壳核结构、可控的亲疏水性且易于物质传输扩散的特性,在吸附分离领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于先进纳米材料技术领域,具体涉及一种磁性有序介孔碳基或高分子基核壳结构复合微球及其制备方法。
背景技术
近年来,磁性碳骨架或高分子骨架纳米材料因其具有磁响应特性和生物毒性低等特点,而在食品和污染物的分析分离、酶催化、疾病诊断等领域具有广泛的应用前景。磁性MOF材料具有优异的微孔表面结构、超高的比表面积,但由于孔径较小,生物酶或有机大分子等客体分子很难吸附并富集到材料孔道内,难以充分利用微孔壳层的巨大比表面积,因此总体富集能力不够理想。相比之下,介孔材料具有比表面积高、孔径可调、组成丰富等特点,其孔壁往往易于修饰氨基、羧基、巯基等特定功能基团,且较大的孔道结构有利于客体分子的扩散和传输,增强目标化合物在孔壁上吸附能力等,因而在吸附分离、催化、药物释放等领域具有广泛应用。
将磁性材料与介孔材料相结合创造性合成具有磁响应性能的介孔材料(简称磁性介孔材料)是过去几年中介孔材料功能化研究领域的热点。目前大多数磁性介孔材料,皆具有不规则的孔道和形貌,而构筑孔道高度有序、形貌规则的磁性介孔材料显得尤为重要。磁性介孔材料同时具有介孔材料的诸多优点和磁性材料的磁学性能,因而有望用作磁分离/富集材料、新型催化剂或载体、磁性药物载体等。在上述应用中,借助外加磁场可以实现材料的有效回收利用,简化分离/富集过程,使得操作过程简便易行。
但是到目前为止,以磁性纳米颗粒为核,以有序介孔高分子骨架或碳骨架为壳的核壳纳米复合微球的合成还鲜有报道。目前所合成的复合材料存在磁响应效果差、孔径较小、孔道分布无序、复合材料分散性不好等问题,不能满足客体分子传输的要求。(Lu, N.;He, X.; Wang, T. et al. Microchem. J., 2018, 137, 449-455. Yang, Q.; Wang,J.; Chen, X. et al. J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 2184-2192. Zhao, M.; Zhang,X. M.; Deng, Ch. H. Chem. Commun., 2015, 51, 8116-8119.Liu, T. Sh.; Ren, Y.L.; Xie, J. et al. J Am Oil Chem Soc, 2013, 12, 1937-1943.)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁响应性强、形状均一的、大孔径、具有有序介孔孔道的磁性有序介孔碳基或高分子基核壳结构复合微球及其制备方法。
本发明提供的磁性有序介孔碳基或高分子基核壳结构复合微球,具有磁性内核、有序介孔孔道外壳的碳基或高分子基复合微球。由以下方法制备得到:
(1)以磁性纳米颗粒为种子,通过溶胶-凝胶法在磁性纳米颗粒表面包覆一层致密二氧化硅保护层;
(2)然后采用界面共组装技术,使用大分子量的嵌段共聚物作为模板剂,在致密二氧化硅表面沉积一层具有有序介观结构的大分子表面活性剂/碳基(或高分子层)复合材料;
(3)最后,根据材料亲疏水性不同,通过不同方法得到两种磁性有序介孔壳核体系:①通过在氮气中煅烧碳化,煅烧温度为350 ℃~800 ℃,煅烧时间为 2 h ~ 6h,得到表面强疏水性的磁性介孔碳基复合微球;②通过溶剂萃取法脱除大分子表面模板剂,获得强亲水性的表面功能化的磁性介孔聚合物基复合微球。
本发明步骤(1)中,所述的磁性纳米颗粒由水热法制得,尺寸均一,粒径为50 nm ~700 nm,在极性溶剂中高度分散,具有强顺磁性。该磁性纳米材料选自Fe3O4、γ-Fe2O3、NiFe2O4、CuFe2O4、铁、镍,钴等磁性物质中的一种或几种。
本发明步骤(1)中,所述通过溶胶-凝胶法在磁性纳米颗粒表面包覆一层致密二氧化硅保护层;其中,所使用的硅源选自正硅酸乙脂(TEOS)、正硅酸甲酯(TMOS)、硅酸钠中的一种或几种。
合成致密二氧化硅层过程中,硅源前驱体水解所使用的催化剂为酸性或碱性催化剂;其中,碱性催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、浓氨水一种或几种;酸性催化剂选自醋酸、乙酸、稀盐酸等一种或几种。
合成致密二氧化硅层过程中,所使用的溶剂为烷基醇、水混合溶液;其中,烷基醇选自甲醇、乙醇、或异丙醇的一种或几种类;烷基醇和水的质量比为8:1 ~ 1:8。
本发明步骤(2)中,采用界面共组装技术,使用大分子量的嵌段共聚物作为模板剂,在致密型二氧化硅层表面沉积一层具有有序介观结构的大分子表面活性剂碳基/高分子基复合材料;其中,碳源使用有机碳前驱液,有机碳前驱液选自盐酸多巴胺、苯酚或间苯二酚与甲醛的预聚物、单宁酸及其衍生物中的一种或几种。
合成介孔高分子基或碳基材料过程中,碳源前驱体水解使用催化剂,该催化剂是酸性或碱性催化剂。其中碱性催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、浓氨水一种或几种;酸性催化剂选自醋酸、乙酸、稀盐酸等一种或几种。
合成介孔高分子基或碳基材料过程中,使用扩孔剂,扩孔剂选自1,3,5-三甲苯、正己烷、正葵烷中的一种或几种。
合成介孔高分子基或碳基材料过程中,使用表面活性剂,表面活性剂是大分子量的非离子型嵌段共聚物EOnPOmEOn(n=20-132, m=47-70)、PEO-b-PS(Mw=10000-40000)、PS-b-P4VB(Mw=10000-40000)中的一种或几种。
合成介孔高分子基或碳基材料过程中,使用溶剂,该溶剂为烷基醇、水和四氢呋喃的混合溶液,其中,烷基醇选自甲醇、乙醇、或异丙醇的一种或几种类。烷基醇和水的质量比为8:1 ~ 1:8,水醇总质量和四氢呋喃的体积比为8:1 ~ 1:8。
本发明中,在磁性纳米颗粒表面包覆致密型二氧化硅的溶胶-凝胶化学合成体系中,磁性纳米颗粒质量百分比为0.50wt% ~ 5wt%, 硅源质量百分比为0.1 wt% ~ 0.5wt%,催化剂质量百分比为0.2 wt ~ 1wt%,其他为醇/水混合溶剂。
本发明中,在致密二氧化硅的界面共组装一层大分子表面活性剂和高分子骨架复合材料的合成体系中,表面沉积了高分子骨架的碳源的质量百分比为0.2 wt% ~ 5wt%,扩孔剂质量百分比为0.02 wt% ~ 0.5 wt%,模板剂质量百分比为0.1 wt% ~ 0.8 wt%,催化剂质量百分比为0.5wt ~ 3wt%,其他为醇/水或醇/水/四氢呋喃混合溶剂。
本发明中,通过调节磁性纳米颗粒粒径、致密二氧化硅层厚度以及外层碳源浓度,来调控复合微球的大小,一般地,复合微球粒径为100 nm ~ 1 μm;通过调节不同模板剂链长、碳源浓度、扩孔剂(TMB)浓度,来调控微球的介孔孔径、磁性、比表面积、孔容。一般地,介孔孔径尺寸为5 nm ~ 30 nm,微球的磁性 5-60 emu/g,比表面积为 100 m2/g ~ 500 m2/g,孔容为 0.2 cm3/g ~ 0.9 cm3/g。
本发明的复合微球中,磁性纳米颗粒的粒径为50 nm ~ 700 nm,致密型二氧化硅层厚度为5 nm ~ 600 nm,大分子表面活性剂/高分子层复合材料的厚度为10 nm ~ 800nm。微球的大小为100 nm ~ 1 μm。
本发明制备得到的复合微球中,介孔高分子基或碳基的有序介观结构包括垂直发
散的管状孔道、球形孔道的介孔结构。其孔道结构的空间群上是p6mm,Fm m,Im m,Pm n,Pm m,Fd m,P6 3 /mmc,Ia d其中一种或者几种的混合结构。
本发明制备的磁性有序介孔高分子基或碳基纳米核壳微球材料,不同于以往报道的各种材料,它具有强的磁响应性、较大的有序介孔孔道、规则有序的壳核结构、可控的亲疏水性且易于物质传输扩散的特性;并具有高比表面、高孔容、均一有序介孔的特性;在吸附分离领域具有重要的应用前景,例如用作磁分离/富集材料、新型催化剂或载体、磁性药物载体等。本发明合成方法原料易得、方法简单迅速、合成材料纯度高,适于大规模生产。
附图说明
图1为本发明的磁性有序介孔碳基或高分子基核壳结构复合微球形貌图。其中,(a)为以F127为模板剂合成的具有垂直发散介孔管状孔道的磁性有序介孔碳基复合微球的透射电镜图片;(b)为(a)的局部放大图;(c)为以PEO-b-PS为模板剂合成的具有球形介孔孔道结构的磁性有序介孔碳基复合微球的透射电镜图片;(d)为(c)的局部放大图。
具体实施方式
实施例1:
(1)将粒径约50 nm的100 mg 磁性四氧化三铁颗粒均匀分散在80 mL乙醇,40 mL去离子水以及1 mL 浓氨水(28 wt%)中,加入0.3 g 正硅酸乙脂(TEOS),室温下磁力搅拌8h,得到表面沉积了一层二氧化硅的磁性复合微球,将产物用磁铁分离并用乙醇和水的混合溶液洗涤,洗涤后产物室温干燥后待用;
(2)将表面沉积一层致密型二氧化硅后的磁性四氧化三铁复合微球超声分散于含有50 mL乙醇、50 mL去离子水、1 g F127的混合溶剂中,然后将1.0 mL1,3,5-三甲苯(TMB)超声分散到上述溶液中,再将1.0 g 盐酸多巴胺加入其中,搅拌20 min使溶液均匀后,逐滴加入0.6 mL浓氨水,滴加完全后继续快速搅拌2 h,得到磁性四氧化三铁/含大分子表面活性剂的高分子骨架复合微球,磁铁收集产物,并用乙醇和水的混合溶液洗涤;
(3)将上述得到的复合微球在80 mL乙醇中80℃萃取48 h三次以除去大分子表面活性剂,去离子水洗涤干燥;将步骤(2)中所得复合微球在氮气中300℃ 1h,550℃ 2h煅烧碳化处理后,所得产物磁饱和强度为34.6 emu/g,粒径为262 nm,介孔孔径为17.2 nm。
实施例2:
(1)将粒径约200 nm的100 mg 磁性γ-三氧化二铁颗粒均匀分散在60 mL乙醇,60mL去离子水以及1 mL 浓氨水(28 wt%)中,加入0.25 g 正硅酸乙脂(TEOS),室温下磁力搅拌8 h,得到表面沉积了一层二氧化硅的磁性复合微球,将产物用磁铁分离并用乙醇和水的混合溶液洗涤,洗涤后产物室温干燥后待用;
(2)将表面沉积一层致密型二氧化硅后的磁性四氧化三铁复合微球超声分散于含有40 mL乙醇、80 mL去离子水、40mL 四氢呋喃、1 g PEO-b-PS(Mn = 26544 g·mol−1)的混合溶剂中,然后将0.6 mL1,3,5-三甲苯(TMB)超声分散到上述溶液中,再将0.6 g 盐酸多巴胺加入其中,搅拌20 min使溶液均匀后,逐滴加入0.8 mL浓氨水,滴加完全后继续快速搅拌2 h,得到磁性四氧化三铁/含大分子表面活性剂的高分子骨架复合微球,磁铁收集产物,并用乙醇和水的混合溶液洗涤;
(3)将上述得到的复合微球在80 mL乙醇中80℃萃取48 h三次以除去大分子表面活性剂,去离子水洗涤干燥;将步骤(2)中所得复合微球在氮气中300℃ 1h,550℃ 2h煅烧碳化处理后,所得产物磁饱和强度为45.6 emu/g,粒径为381 nm,介孔孔径为13.5 nm。
实施例3:
(1)将粒径约450 nm的100 mg 磁性NiFe2O4颗粒均匀分散在80 mL乙醇,40 mL去离子水以及1 mL 浓氨水(28 wt%)中,加入0.4 g 正硅酸乙脂(TEOS),室温下磁力搅拌8 h,得到表面沉积了一层二氧化硅的磁性复合微球,将产物用磁铁分离并用乙醇和水的混合溶液洗涤,洗涤后产物室温干燥后待用;
(2)将表面沉积一层致密型二氧化硅后的磁性四氧化三铁复合微球超声分散于含有50 mL乙醇、50 mL去离子水、0.5 g F127的混合溶剂中,然后将0.6 mL正己烷超声分散到上述溶液中,再将1.6 g 盐酸多巴胺加入其中,搅拌20 min使溶液均匀后,逐滴加入1.2 mL浓氨水,滴加完全后继续快速搅拌2 h,得到磁性四氧化三铁/含大分子表面活性剂的高分子骨架复合微球,磁铁收集产物,并用乙醇和水的混合溶液洗涤;
(3)将上述得到的复合微球在80 mL乙醇中80℃萃取48 h三次以除去大分子表面活性剂,去离子水洗涤干燥;将步骤(2)中所得复合微球在氮气中300℃ 1h, 550℃ 2h煅烧碳化处理后,所得产物磁饱和强度为52.4 emu/g,粒径为680 nm,介孔孔径为11.8 nm。
实施例4:
(1)将粒径约700 nm的100 mg 磁性四氧化三铁颗粒均匀分散在60 mL乙醇,60 mL去离子水以及1 mL 浓氨水(28 wt%)中,加入0.5 g 正硅酸乙脂(TEOS),室温下磁力搅拌8h,得到表面沉积了一层二氧化硅的磁性复合微球,将产物用磁铁分离并用乙醇和水的混合溶液洗涤,洗涤后产物室温干燥后待用;
(2)将表面沉积一层致密型二氧化硅后的磁性四氧化三铁复合微球超声分散于含有80 mL乙醇、40 mL去离子水、80 mL四氢呋喃、0.5 g PEO-b-PS(Mn = 30000 g·mol−1)的混合溶剂中,然后将0.6 mL1,3,5-三甲苯(TMB)超声分散到上述溶液中,再将2.0 g 盐酸多巴胺加入其中,搅拌20 min使溶液均匀后,逐滴加入1.8 mL浓氨水,滴加完全后继续快速搅拌2 h,得到磁性四氧化三铁/含大分子表面活性剂的高分子骨架复合微球,磁铁收集产物,并用乙醇和水的混合溶液洗涤;
(3)将上述得到的复合微球在80 mL乙醇中80℃萃取48 h三次以除去大分子表面活性剂,去离子水洗涤干燥;将步骤(2)中所得复合微球在氮气中300℃ 1h, 550℃ 2h煅烧碳化处理后,所得产物磁饱和强度为60.5 emu/g,粒径为900nm,介孔孔径为12.6 nm。
Claims (9)
1.一种磁性有序介孔碳基或高分子基核壳结构复合微球的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)以磁性纳米颗粒为种子,通过溶胶-凝胶法在磁性纳米颗粒表面包覆一层致密二氧化硅保护层;
(2)然后采用界面共组装技术,使用大分子量的嵌段共聚物作为模板剂,在致密二氧化硅表面沉积一层具有有序介观结构的含大分子表面活性剂的高分子层复合材料;其中,碳源使用有机碳前驱液,有机碳前驱液选自盐酸多巴胺、苯酚或间苯二酚与甲醛的预聚物、单宁酸及其衍生物中的一种或几种;碳源前驱体水解使用的催化剂为酸性或碱性催化剂;碱性催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、浓氨水中的一种或几种;酸性催化剂选自醋酸、乙酸、稀盐酸中的一种或几种;使用的表面活性剂是大分子量的非离子型嵌段共聚物EOnPOmEOn,n=20-132, m=47-70、PEO-b-PS,Mw=10000-40000、PS-b-P4VB,Mw=10000-40000中的一种或几种;使用的溶剂为烷基醇、水和四氢呋喃的混合溶液,其中,烷基醇选自甲醇、乙醇、或异丙醇中的一种或几种;在磁性纳米颗粒表面包覆致密型二氧化硅的溶胶-凝胶化学合成体系中,磁性纳米颗粒质量百分比为0.50wt% ~ 5wt%, 硅源质量百分比为0.1 wt% ~ 0.5wt%,催化剂质量百分比为0.2 wt ~ 1wt%,其他为醇/水混合溶剂;
(3)最后,根据材料亲疏水性不同,通过不同方法得到两种磁性有序介孔壳核体系:①通过在氮气中煅烧碳化,煅烧温度为350 ℃-800 ℃,煅烧时间为 2 h ~ 6h,得到表面强疏水性的磁性介孔碳基复合微球;②通过溶剂萃取法脱除大分子表面模板剂,获得强亲水性的表面功能化的磁性介孔聚合物基复合微球;
所制备的复合微球壳层为介孔高分子基或碳基有序介观结构,且所述有序介观结构包括垂直发散的管状孔道或球形孔道;复合微球粒径为100 nm ~ 1 μm,通过调节磁性纳米颗粒粒径、致密二氧化硅层厚度以及外层碳源浓度来调控;复合微球粒的介孔孔径尺寸为5nm ~ 30 nm,磁性为 5-60 emu/g,比表面积为 100 m2/g ~ 500 m2/g,孔容为 0.2 cm3/g ~0.9 cm3/g,通过调节不同模板剂链长、碳源浓度、扩孔剂浓度来调控。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述磁性纳米颗粒由水热法制得,尺寸均一,粒径为50 nm ~ 700 nm,在极性溶剂中高度分散,具有强顺磁性;该磁性纳米材料选自磁性物质Fe3O4、γ-Fe2O3、NiFe2O4、CuFe2O4、铁、镍、钴中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述通过溶胶-凝胶法在磁性纳米颗粒表面包覆一层致密二氧化硅保护层;其中,所使用的硅源选自正硅酸乙脂、正硅酸甲酯、硅酸钠中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,合成致密二氧化硅层过程中,硅源前驱体水解所使用的催化剂为酸性或碱性催化剂;其中,碱性催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、浓氨水中的一种或几种;酸性催化剂选自醋酸、乙酸、稀盐酸中的一种或几种。
5. 根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,合成致密二氧化硅层过程中,所使用的溶剂为烷基醇、水混合溶液;其中,烷基醇选自甲醇、乙醇、或异丙醇中的一种或几种;烷基醇和水的质量比为8:1 ~ 1:8。
6.根据权利要求1~5之一所述的制备方法,其特征在于,合成介孔高分子基或碳基材料过程中,使用的扩孔剂选自1,3,5-三甲苯、正己烷、正癸烷中的一种或几种。
7. 根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,在致密二氧化硅的界面共组装一层大分子表面活性剂和高分子骨架复合材料的合成体系中,表面沉积了高分子骨架的碳源的质量百分比为0.2 wt% ~ 5wt%,扩孔剂质量百分比为0.02 wt% ~ 0.5 wt%,模板剂质量百分比为0.1 wt% ~ 0.8 wt%,催化剂质量百分比为0.5wt ~ 3wt%,其他为醇和水,或醇、水和四氢呋喃混合溶剂。
8.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,复合微球中,磁性纳米颗粒的粒径为50 nm ~ 700 nm,致密型二氧化硅层厚度为5 nm ~ 600 nm,包含大分子表面活性剂的高分子层复合材料的厚度为10 nm ~ 800 nm。
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